Waarom lithium-ion batterijen nog lang zal beheersen

2010 De regenten van de Universiteit van Californië, via het Lawrence Berkeley National Laboratory.

Het Amerikaanse ministerie van Energie is lancering een grote onderzoeksinspanning om een ​​nieuwe generatie lithium-ionbatterijen te ontwikkelen die grotendeels vrij zijn van kobalt, een zeldzaam en duur metaal dat wordt geleverd door een steeds verontrustende toeleveringsketen .

Het driejarige programma, onderdeel van a bredere inspanning om geavanceerde voertuigtechnologieën te versnellen, zou uiteindelijk kunnen leiden tot goedkopere, duurzamere consumentengadgets, elektrische auto's en opslag op het elektriciteitsnet.

Materiaalwetenschapper Gerd Ceder houdt toezicht op een project in het kader van het onderzoeksprogramma van het Lawrence Berkeley National Lab, gericht op de ontwikkeling van ongeordende steenzouten als alternatief materiaal voor kathoden, de positieve elektrode in een oplaadbare cel. Gewoonlijk hebben de kathoden in lithium-ionbatterijen kobalt nodig om een ​​gelaagde structuur in de elektrode te creëren en vast te houden, waardoor lithiumionen er gemakkelijk doorheen kunnen stromen. Maar enkele jaren geleden ontdekten Ceder en zijn collega's dat deze nieuwe klasse van materialen meer lithium zou kunnen opslaan, waardoor de energiedichtheid mogelijk zou toenemen terwijl de behoefte aan kobalt volledig werd vermeden (zie Ongeordende materialen zijn veelbelovend voor betere batterijen).

Het Lawrence Berkeley-project en twee van het Argonne National Laboratory ontvingen samen $ 12,5 miljoen van het Vehicle Technologies Office van de DOE.

In een interview met MIT Technology Review , Ceder besprak de uitdagingen om ervoor te zorgen dat de nieuwe materialen werken als een drop-in alternatief voor batterijproductie, de redenen waarom lithium-iontechnologie de opslag nog lang zal blijven domineren - en waarom het zo lang duurt voordat een batterij vooruitgaat de markt te bereiken.

Dit interview is bewerkt voor ruimte en duidelijkheid.

Wat zijn de volgende stappen in de ontwikkeling van deze nieuwe klasse verbindingen? ?

Het is nu ongeveer vier jaar geleden sinds de eerste ontdekking van het concept, en er zijn meer dan een dozijn verbindingen in deze categorie die al veelbelovende eigenschappen hebben laten zien. Dus dat is de ontdekkingsfase, waar iedereen allerlei verschillende soorten chemicaliën gaat uitproberen, zoals Lewis en Clark.

De volgende stap is dat we een aantal van deze veelbelovende materialen gaan gebruiken en kijken of we alle kleine problemen kunnen oplossen die moeten worden opgelost voordat we daadwerkelijk een commercieel product kunnen maken.

De laad-ontlaadsnelheid moet goed zijn. De levensduur van de batterij, die de levensduur van de batterij bepaalt, moet worden verbeterd.

En dan leren mensen allerlei bewerkingstrucs en oppervlaktebehandelingen, en zo worden batterijen steeds beter.

Maar ik zou zeggen dat sommige van deze materialen naar de volgende fase gaan. Het is tegenwoordig waarschijnlijk een van onze beste weddenschappen voor kathodematerialen met een hogere energiedichtheid.

Waarom duurt het zo lang voordat laboratoriumvooruitgang in opslag daadwerkelijk op de markt komt?

Alles om er een commercieel product van te maken is een lange ploeteren, zelfs als je de ontdekking sneller doet. Het is gewoon een heel lange weg naar materiaaloptimalisatie, testen, klantacceptatie, al deze dingen. Zelfs als ik vandaag iets had dat perfect werkte in het lab, zou je waarschijnlijk zes tot tien jaar ploeteren.

Iemand moet het opschalen. Ze moeten het testen. Dan moeten ze het doorgeven aan een batterijfabrikant, een celfabrikant, die het twee jaar zal testen en als ze het uiteindelijk leuk vinden, kunnen ze er een klein product van maken - iets dat naar een nichemarkt gaat, omdat ze willen geen marktrisico nemen met nieuwe producten.

Een paar jaar geleden heb je zei dat solid-state batterijen bijna een perfecte batterij zijn. Wat denk je vandaag?

Ik ben nog steeds optimistisch dat ze een echte game-changer zijn. En ik denk dat het ultieme product zo goed zou kunnen zijn, en dat rechtvaardigt, denk ik, de inspanning en het streven ernaar. Het zou kunnen gaan lijken op de ideale batterij.

Dat gezegd hebbende, hebben wij en andere mensen in de jaren daarna natuurlijk alle problemen ontdekt die ermee moeten worden opgelost. Dus ik denk nog steeds dat het op dit moment een van de meest veelbelovende dingen is voor energieopslag. Maar er zijn nogal wat problemen die moeten worden opgelost.

Deze vastestofelektrolyten zijn vaak niet stabiel. En niemand heeft zelfs maar een geweldige manier bedacht om solid-state batterijen te maken.

Je kunt ze in het lab maken, en bedrijven kunnen zelfs een prototype maken, maar dat bewijst alleen maar dat je het kunt. Het bewijst niet dat je het economisch kunt doen.

Veel hiervan zijn technische uitdagingen, en ik heb zo'n filosofie dat technische uitdagingen met geld worden opgelost. Wetenschappelijke problemen vallen in een heel andere categorie. Het is moeilijk om een ​​tijdlijn op uitvindingen te plakken.

Maar ik ben ervan overtuigd dat het zal gebeuren.

Een ander gebied waar we dit jaar een aantal opmerkelijke investeringen hebben gezien, is rasteropslag. Welke onderzoekspaden ziet u daar kansrijk?

Grid-opslag is naar mijn mening nogal een wildcard. Op de korte termijn zie ik gewoon dat het allemaal lithium-ion is. De reden is dat het betrouwbaar is en dat u het tegenwoordig bij betrouwbare leveranciers kunt kopen.

Je kunt een filosofische discussie voeren over de vraag of dat de beste vorm van energieopslag voor het net is of niet. Maar als u PG&E bent, van wie gaat u dan kopen? Startup XYZ, die er over drie jaar misschien niet is, of ga je kopen bij LG Chem, CATL of Samsung?

Ik sluit dus niet uit dat andere technologieën tot het net kunnen doordringen, maar ze mogen de concurrentie van de gevestigde exploitant niet onderschatten. De zittende is altijd een krachtpatser.

Het tegenargument dat je hoort is dat er grenzen zijn aan hoe goedkoop lithium-ion kan worden - en het is niet de ideale technologie die geschikt is voor de dagen, weken of zelfs maanden opslag die je misschien nodig hebt voor het elektriciteitsnet (zie De 2,5 biljoen dollar reden waarom we niet op batterijen kunnen vertrouwen om het elektriciteitsnet op te schonen).

Lithium-ion is al behoorlijk goedkoop. Al die andere technologieën – hoewel ze op papier misschien een lage kostenstructuur hebben, moeten ze er nog komen. Startups hebben hoogwaardige markten nodig en het netwerk is geen bijzonder hoogwaardige markt.

Laten we een extreem voorbeeld nemen: laten we eens kijken naar seizoensopslag. Hoeveel bent u bereid te betalen voor een kilowattuur die u van juni tot december verhuist? Het ding moet ongelooflijk goedkoop zijn.

Het is mij niet duidelijk dat de oplossingen voor die problemen in de klassieke elektrochemische opslag zullen worden gevonden. Niet elk probleem moet met batterijen worden opgelost.

zich verstoppen