Perché gli ioni di litio possono governare le batterie per molto tempo a venire

2010 The Regents of the University of California, attraverso il Lawrence Berkeley National Laboratory.

Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti lo è lancio un importante sforzo di ricerca per sviluppare una nuova generazione di batterie agli ioni di litio in gran parte prive di cobalto, un metallo raro e costoso fornito attraverso un filiera problematica .

Il programma triennale, parte di a sforzo più ampio per accelerare le tecnologie avanzate dei veicoli, potrebbe alla fine portare a gadget di consumo, auto elettriche e storage di rete più economici e di lunga durata.

Lo scienziato dei materiali Gerd Ceder sta supervisionando un progetto nell'ambito del programma di ricerca presso il Lawrence Berkeley National Lab, volto a sviluppare sali rocciosi disordinati come materiale alternativo per i catodi, l'elettrodo positivo in una cella ricaricabile. Tipicamente, i catodi nelle batterie agli ioni di litio richiedono il cobalto per creare e mantenere una struttura a strati nell'elettrodo, che consente agli ioni di litio di fluire facilmente attraverso di esso. Ma diversi anni fa, Ceder e i suoi colleghi hanno scoperto che questa nuova classe di materiali potrebbe immagazzinare più litio, aumentando potenzialmente la densità di energia evitando del tutto la necessità di cobalto (vedi I materiali disordinati promettono batterie migliori).

Il progetto Lawrence Berkeley e due dell'Argonne National Laboratory hanno ricevuto insieme 12,5 milioni di dollari dal Vehicle Technologies Office del DOE.

In un'intervista a Revisione della tecnologia del MIT , Ceder ha discusso le sfide per garantire che i nuovi materiali funzionino come un'alternativa drop-in per la produzione di batterie, i motivi per cui la tecnologia agli ioni di litio continuerà a dominare lo stoccaggio per molto tempo a venire e perché ci vuole così tanto tempo per l'avanzamento della batteria per raggiungere il mercato.

Questa intervista è stata modificata per spazio e chiarezza.

Quali sono i prossimi passi nello sviluppo di questa nuova classe di composti ?

Sono passati circa quattro anni dalla scoperta iniziale del concetto e ci sono più di una dozzina di composti in questa categoria che hanno già mostrato caratteristiche promettenti. Quindi questa è la fase della scoperta, in cui tutti vanno e provano tutti i tipi di sostanze chimiche diverse, come l'esplorazione di Lewis e Clark.

Il prossimo passo è prendere alcuni di questi materiali che sembrano promettenti e vedere se siamo in grado di risolvere tutti i piccoli problemi che devono essere risolti prima di poter effettivamente realizzare un prodotto commerciale.

La capacità del tasso di carica-scarica deve essere buona. La durata del ciclo, che determina la durata della batteria, deve essere migliorata.

E poi le persone imparano a fare tutti i tipi di trucchi di elaborazione e trattamenti di superficie, ed è così che le batterie migliorano sempre di più.

Ma direi che alcuni di questi materiali passeranno alla fase successiva. È probabilmente una delle nostre migliori scommesse in questi giorni per i materiali catodici a densità di energia più elevata.

Perché ci vuole così tanto tempo prima che i progressi del laboratorio nello storage arrivino effettivamente sul mercato?

Perché qualsiasi cosa diventi un prodotto commerciale è una lunga fatica, anche se fai la scoperta più velocemente. È solo una strada molto lunga verso l'ottimizzazione dei materiali, i test, l'accettazione da parte dei clienti, tutte queste cose. Al punto che anche se oggi avessi qualcosa che funzionasse perfettamente in laboratorio, probabilmente avresti uno slog da sei a 10 anni.

Qualcuno deve ridimensionarlo. Devono testarlo. Quindi devono passarlo a un produttore di batterie, un produttore di celle, che trascorrerà due anni a testarlo e poi, se alla fine gli piace, potrebbero ricavarne un piccolo prodotto, qualcosa che va a un mercato di nicchia, perché non vogliono correre rischi di mercato con nuovi prodotti.

Qualche anno fa tu disse che le batterie allo stato solido sono quasi una batteria perfetta. Cosa ne pensi oggi?

Sono ancora ottimista sul fatto che siano un vero punto di svolta. E penso che il prodotto finale potrebbe essere così buono, e questo giustifica, penso, lo sforzo e la spinta verso di esso. Potrebbe iniziare a sembrare la batteria ideale.

Detto questo, ovviamente, negli anni da allora noi e altre persone abbiamo scoperto tutti i problemi che devono essere risolti. Quindi penso ancora che sia una delle cose più promettenti per l'accumulo di energia in questo momento. Ma ci sono un sacco di problemi che devono essere risolti.

Questi elettroliti allo stato solido spesso non sono stabili. E nessuno in realtà ha nemmeno escogitato un ottimo modo per produrre batterie a stato solido.

Puoi realizzarli in laboratorio e le aziende possono persino realizzare un prototipo, ma ciò dimostra che puoi farlo. Non dimostra che puoi farlo economicamente.

Molte di queste sono sfide ingegneristiche e ho questo tipo di filosofia secondo cui le sfide ingegneristiche si risolvono con i soldi. I problemi scientifici sono in una categoria molto diversa. È difficile dare una linea temporale all'invenzione.

Ma sono fiducioso che accadrà.

Un'altra area in cui abbiamo visto alcuni investimenti notevoli quest'anno è lo storage di rete. Quali percorsi di ricerca pensi siano promettenti lì?

L'archiviazione della griglia è piuttosto il jolly, secondo me. A breve termine, vedo solo che tutto è agli ioni di litio. Il motivo è che è affidabile e puoi acquistarlo da fornitori affidabili oggi.

Puoi avere una discussione filosofica sul fatto che questa sia la migliore forma di accumulo di energia per la rete o meno. Ma se sei PG&E, da chi comprerai? Startup XYZ, che potrebbe non essere lì tra tre anni o acquisterai da LG Chem, CATL o Samsung?

Quindi non escludo che altre tecnologie possano penetrare nella griglia, ma non dovrebbero sottovalutare la concorrenza dell'incumbent. L'incumbent è sempre una centrale elettrica.

La controargomentazione che si sente è che ci sono limiti all'economicità degli ioni di litio e non è la tecnologia ideale per i giorni, le settimane o anche i mesi di stoccaggio di cui potresti aver bisogno per la rete (vedi Il motivo da 2,5 trilioni di dollari per cui non possiamo fare affidamento sulle batterie per ripulire la rete).

Gli ioni di litio sono già abbastanza economici. Tutte queste altre tecnologie, sebbene sulla carta possano avere una struttura a basso costo, devono comunque arrivarci. Le startup hanno bisogno di mercati di alto valore e la rete non è un mercato di valore particolarmente elevato.

Facciamo un esempio estremo: diamo un'occhiata allo stoccaggio stagionale. Quanto sei disposto a pagare per un kilowattora che sposti da giugno a dicembre? La cosa deve essere incredibilmente economica.

Non mi è chiaro se le soluzioni per questi problemi si troveranno nella classica conservazione dell'elettrochimica. Non tutti i problemi dovrebbero essere risolti con le batterie.

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