Litijum-jonske baterije koje se koriste za napajanje električnih vozila su ključne za ekonomiju čiste energije. Ali njihove elektrode se obično prave korišćenjem vlažne suspenzije sa toksičnim rastvaračima, što je skup proizvodni pristup koji predstavlja rizik po zdravlje i životnu sredinu.
Rani eksperimenti u Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridge Ministarstva energetike otkrili su značajne prednosti procesa proizvodnje suvih baterija. Ovo eliminiše rastvarač, a istovremeno obećava isporuku baterije koja je izdržljiva, manje opterećena neaktivnim elementima i sposobna da održi visok kapacitet skladištenja energije nakon upotrebe. Takva poboljšanja bi mogla da podstaknu šire usvajanje EV, pomažući u smanjenju emisije ugljenika i postizanju klimatskih ciljeva SAD.
Istraživanje je objavljeno u časopisu Chemical Engineering Journal.
Suva obrada je relativno nova alternativa koja štedi fabrički prostor, kao i vreme, energiju, odlaganje otpada i troškove pokretanja. Međutim, do sada su istraživači imali ograničeno razumevanje kako i zašto to funkcioniše.
ORNL i industrijski partner Navitas Sistems ispitali su kako suvi proces utiče na strukturu materijala baterija i njihova elektrohemijska svojstva. Baterije stvaraju energiju dok litijum joni putuju između elektroda koje se nazivaju katoda i anoda. Tim se fokusirao na strategiju suve obrade elektrodama, koja uključuje mešanje suvih prahova sa vezivom, zatim sabijanje materijala kako bi se poboljšao kontakt između čestica. Ova strategija se može primeniti i na anodu i na katodu fokusiranjem na određene materijale ili metode mešanja.
Nakon što je Navitas napravio elektrode, ORNL istraživači, predvođeni Jianlin Lijem i Runming Taoom, merili su njihove elektrohemijske performanse u različitim uslovima u različitim vremenskim okvirima. ORNL tim je uspeo da dođe do novog razumevanja kako se suvo obrađene elektrode razgrađuju.
Baterije napravljene suvim procesom pokazale su „sjajnu“ sposobnost da održe svoj kapacitet nakon duže upotrebe, prema rezultatima studije. Baterije suvog procesa su „veoma hemijski poželjne“ jer njihova struktura omogućava litijum-jonima da zauzmu direktniji put između anode i katode, otkrili su istraživači. Elektrode su deblje da bi omogućile veće opterećenje energije uz smanjenje neaktivnih sastojaka koji povećavaju veličinu i težinu.
„U elektrodi ima više aktivnih materijala“, rekao je Tao. „A čak i nakon vožnje biciklom, imaće nekoliko pukotina.“ Ove dve prednosti odražavaju visoku gustinu energije i dobru dugoročnu cikličnost. Elektroda se može dobro savijati i savijati, pokazujući odličnu mehaničku čvrstoću i sposobnost namotaja potrebnu za masovnu proizvodnju baterija.
Suvi proces bi mogao da ponudi niz prednosti proizvođačima i lancu snabdevanja u SAD: veoma je kompatibilan sa trenutnom opremom za proizvodnju elektroda, dok njegov smanjeni uticaj na životnu sredinu čini pogone baterija pogodnim na više mesta.
„Kada gledate fabrike gigaskala, gledate na milijarde dolara da biste povećali baterije“, rekao je Brajan Štajnhof, tehnički vođa i vodeći istraživač na projektu za Navitas. „Suva obrada može eliminisati opremu za premazivanje i rastvarače koja je trenutno neophodna za proizvodnju baterija velikih razmera. Ako umesto toga možete da koristite suvi proces, možete smanjiti svoj otisak do 40 ili 50%, uštedeći stotine miliona dolara i početi omogućiti stvaranje infrastrukture koja bi zamenila onu koja trenutno u velikoj meri zavisi od Azije“.
Sledeći korak u istraživanju je stabilizacija materijala koji pričvršćuje anodne komponente na tanki metalni strujni kolektor. „Glavni cilj ovog projekta je da se razvije ili identifikuje bolje vezivo za suvi proces, jer trenutno vezivo nije baš stabilno za okruženje anode“, rekao je Li. Tim takođe radi na smanjenju količine čađe, materijala koji održava provodljivost baterije, ali umanjuje njenu gustinu energije.
ORNL i Navitas istraživači nastavljaju da usavršavaju proces kako bi poboljšali elektrohemijske performanse. Cilj je da se uravnoteže prednosti i nedostaci deblje elektrode: ima potencijal za veće energetsko opterećenje i lako se kotrlja, ali može da obezbedi manje snage, pošto joni moraju dalje da putuju.
