ساده سازی تولید باتری های لیتیوم یونی | اخبار MIT

وقتی صحبت از نوآوری های باتری می شود، توجه زیادی به مواد شیمیایی و مواد جدید بالقوه معطوف می شود. اهمیت فرآیندهای تولید برای کاهش هزینه ها اغلب نادیده گرفته می شود.

اکنون MIT spinout 24M Technologies تولید باتری لیتیوم یونی را با طراحی جدید ساده کرده است که به مواد کمتر و مراحل کمتری برای ساخت هر سلول نیاز دارد. این شرکت می‌گوید این طرح، که آن را «SemiSolid» به دلیل استفاده از الکترودهای گوه می‌نامد، هزینه‌های تولید را تا ۴۰ درصد کاهش می‌دهد. این رویکرد همچنین چگالی انرژی، ایمنی و قابلیت بازیافت باتری ها را بهبود می بخشد.

با قضاوت بر اساس علاقه صنعت، 24M بر روی چیزی است. از زمان خروج از حالت مخفی کاری در سال 2015، 24M مجوز فناوری خود را به شرکت های چند ملیتی از جمله فولکس واگن، فوجی فیلم، لوکاس تی وی اس، آکسیوا و فریر داده است. این سه شرکت آخر در حال برنامه ریزی برای ساخت کارخانه های گیگا (کارخانه هایی با ظرفیت تولید سالانه در مقیاس گیگاوات) بر اساس فناوری 24M در هند، چین، نروژ و ایالات متحده هستند.

پلت فرم SemiSolid در مقیاس صدها مگاوات برای سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی مسکونی تولید شده است. نائوکی اوتا، مدیر عامل 24M، که تیمش شامل بنیانگذار 24M، دانشمند ارشد و پروفسور یت مینگ چیانگ، پروفسور MIT است، می گوید: اکنون می خواهیم آن را در مقیاس گیگاوات ثابت کنیم.

ایجاد خطوط تولید در مقیاس بزرگ تنها مرحله اول برنامه ۲۴M است. یکی دیگر از نکات کلیدی طراحی باتری آن این است که می تواند با ترکیبات مختلف شیمی لیتیوم-یون کار کند. این بدان معناست که شرکای 24M می توانند مواد با عملکرد بهتر را بدون تغییر اساسی در فرآیندهای تولید ترکیب کنند.

نوع تولید سریع و در مقیاس بزرگ باتری های نسل بعدی که ۲۴M امیدوار است آن را فعال کند، می تواند تأثیر چشمگیری بر پذیرش باتری در سراسر جامعه داشته باشد – از هزینه و عملکرد خودروهای الکتریکی گرفته تا توانایی انرژی های تجدیدپذیر برای جایگزینی سوخت های فسیلی.

اوتا می گوید: «این یک فناوری پلت فرم است. ما فقط یک اپراتور کم هزینه و با قابلیت اطمینان بالا نیستیم. این چیزی است که ما امروز هستیم، اما می توانیم با شیمی نسل بعدی نیز رقابت کنیم. ما می توانیم از هر شیمی در بازار استفاده کنیم بدون اینکه مشتریان زنجیره تامین خود را تغییر دهند. استارت‌آپ‌های دیگر سعی می‌کنند فردا و نه امروز به این موضوع بپردازند. فناوری ما می‌تواند امروز و فردا به این مشکل رسیدگی کند.»

طراحی ساده شده

چیانگ، که استاد علوم و مهندسی مواد Kyocera MIT است، اولین نگاهی اجمالی به تولید باتری در مقیاس بزرگ پس از تأسیس شرکت باتری دیگری به نام A123 Systems در سال 2001 داشت. در حالی که آن شرکت در اواخر دهه 2000 در حال آماده شدن برای عمومی شدن بود، چیانگ به این فکر افتاد که آیا می تواند باتری طراحی کند که راحت تر باشد. برای تولید.

چیانگ می‌گوید: «من این پنجره را دیدم که تولید باتری چگونه به نظر می‌رسد، و چیزی که مرا شگفت‌زده کرد این بود که با وجود اینکه آن را از بین بردیم، فرآیند تولید فوق‌العاده پیچیده‌ای بود. “این از تولید نوار مغناطیسی که در اواخر دهه 1980 با باتری ها سازگار شده بود، به دست آمد.”

چیانگ در آزمایشگاه خود در MIT، جایی که از سال 1985 در آنجا استاد بود، از ابتدا با نوع جدیدی از دستگاه شروع کرد که او آن را «باتری جریان نیمه جامد» نامید که مایعات حامل الکترودهای مبتنی بر ذرات را به و از مخازن برای ذخیره شارژ پمپ می‌کند. .

در سال 2010، چیانگ با دبلیو کریگ کارتر، که استاد علوم و مهندسی مواد POSCO MIT است، همکاری کرد و این دو استاد سرپرست دانشجویی به نام Mihai Duduta ’11 بودند که باتری‌های جریان را برای پایان‌نامه کارشناسی خود کاوش کرد. در عرض یک ماه، دودوتا یک نمونه اولیه را در آزمایشگاه چیانگ توسعه داد و 24M متولد شد. (دودوتا اولین استخدام کننده شرکت بود.)

اما حتی زمانی که 24M با دفتر مجوز فناوری MIT (TLO) برای تجاری سازی تحقیقات انجام شده در آزمایشگاه چیانگ کار می کرد، افراد شرکت از جمله Duduta شروع به تجدید نظر در مفهوم باتری جریان کردند. تجزیه و تحلیل هزینه داخلی توسط کارتر، که برای چندین سال 24 میلیون مشاوره داشت، در نهایت محققان را به تغییر جهت سوق داد.

این امر باعث شد تا شرکت بارهایی از دوغاب خاکستری که الکترودهای موجود در باتری‌های جریان را تشکیل می‌داد، به همراه داشته باشد. چند هفته پس از تجزیه و تحلیل هزینه کارتر، دودوتا، که در آن زمان یک دانشمند تحقیقاتی ارشد در 24M بود، تصمیم گرفت شروع به استفاده از دوغاب برای جمع‌آوری باتری‌ها با دست کند و الکترودهای رنگی را مستقیماً در الکترولیت مخلوط کند. این ایده گرفتار شد.

اجزای اصلی باتری ها الکترودهای دارای بار مثبت و منفی و مواد الکترولیت هستند که به یون ها اجازه می دهد بین آنها جریان پیدا کنند. باتری‌های لیتیوم یونی سنتی از الکترودهای جامد استفاده می‌کنند که توسط لایه‌هایی از پلاستیک و فلزات بی‌اثر از الکترولیت جدا شده‌اند که الکترودها را در جای خود نگه می‌دارند.

از بین بردن مواد بی‌اثر باتری‌های سنتی و در آغوش گرفتن ترکیب الکترودهای رنگارنگ، چندین مزیت به طراحی 24M می‌دهد.

به عنوان مثال، فرآیند پر انرژی خشک کردن و جامد کردن الکترودها در تولید سنتی لیتیوم یون را حذف می کند. این شرکت می گوید همچنین نیاز به بیش از 80 درصد از مواد غیرفعال در باتری های سنتی، از جمله باتری های گران قیمت مانند مس و آلومینیوم را کاهش می دهد. طراحی همچنین نیازی به اتصال دهنده ندارد و دارای الکترودهای ضخیم اضافی است که چگالی انرژی باتری ها را بهبود می بخشد.

چیانگ می‌گوید: «وقتی شرکتی را راه‌اندازی می‌کنید، کار هوشمندانه‌ای که باید انجام دهید این است که همه مفروضات خود را دوباره مرور کنید و بپرسید بهترین راه برای دستیابی به اهدافتان چیست، که در مورد ما باتری‌های ساده و کم‌هزینه تولید می‌شدند. ما به این نتیجه رسیدیم که ارزش واقعی ما ساخت یک تعلیق لیتیوم یونی است که از ابتدا به صورت الکتروشیمیایی فعال بوده و الکترولیت در آن وجود دارد و شما فقط از الکترولیت به عنوان حلال پردازش استفاده می کنید.

در سال 2017، 24M در شتاب دهنده راه اندازی STEX25 برنامه ارتباط صنعتی MIT شرکت کرد، که در آن چیانگ و همکارانش ارتباطات مهمی در صنعت ایجاد کردند که به آن کمک می کرد تا مشارکت های اولیه را تضمین کند. 24M همچنین با محققان MIT در پروژه هایی که توسط وزارت انرژی تامین مالی می شود، همکاری کرده است.

فعال کردن انقلاب باتری

اکثر شرکای 24M به بازار خودروهای الکتریکی (EV) که به سرعت در حال رشد هستند برای باتری های خود چشم دوخته اند و بنیانگذاران معتقدند فناوری آنها پذیرش EV را تسریع خواهد کرد. (طبق گزارش موسسه تحقیقات انرژی، هزینه باتری 30 تا 40 درصد قیمت خودروهای برقی را تشکیل می دهد).

اوتا با اشاره به مدیرعامل شرکت خودروسازی الکتریکی تسلا می‌گوید: «باتری‌های لیتیوم یونی در طول سال‌ها پیشرفت‌های زیادی کرده‌اند، اما حتی ایلان ماسک می‌گوید که ما نیاز به فناوری جدیدی داریم. «برای رایج‌تر کردن خودروهای الکتریکی، ما به پیشرفتی در هزینه تولید نیاز داریم. ما نمی‌توانیم فقط به کاهش هزینه از طریق مقیاس‌بندی تکیه کنیم، زیرا امروزه باتری‌های زیادی تولید می‌کنیم.»

24M همچنین در حال تلاش برای اثبات ترکیبات شیمیایی باتری جدید است که شرکای آن می توانند به سرعت در کارخانه های گیگ خود بگنجانند. در ژانویه سال جاری، 24M از برنامه ARPA-E وزارت انرژی کمک مالی دریافت کرد تا یک باتری با چگالی انرژی بالا را توسعه دهد و مقیاس آن را توسعه دهد که از آند فلزی لیتیوم و کاتد نیمه جامد برای استفاده در هوانوردی الکتریکی استفاده می کند.

این پروژه یکی از بسیاری از پروژه‌هایی است که در سراسر جهان طراحی شده است تا شیمی باتری‌های لیتیوم یونی جدید را تأیید کند که می‌تواند انقلاب باتری‌ای را که مدت‌ها به دنبال آن بودیم، ممکن کند. از آنجایی که 24M به ایجاد خطوط تولید جهانی در مقیاس بزرگ ادامه می‌دهد، این تیم معتقد است که موقعیت خوبی برای تبدیل نوآوری‌های آزمایشگاهی به محصولات فراگیر و در حال تغییر جهان دارد.

این فناوری یک پلتفرم است و چشم انداز ما این است که مانند اندروید گوگل باشیم [operating system]اوتا می‌گوید، جایی که افراد دیگر می‌توانند روی پلتفرم ما چیزهایی بسازند. ما می خواهیم این کار را انجام دهیم اما با سخت افزار. به همین دلیل است که ما به این فناوری مجوز می دهیم. شرکای ما می توانند از خطوط تولید مشابه برای بهره مندی از مزایای شیمی و رویکردهای جدید استفاده کنند. این پلتفرم به همه گزینه های بیشتری می دهد.»