I materiali per l'energia sono dove la transizione funziona economicamente oppure no, e il fattore decisivo è raramente la scoperta di un nuovo composto.
La chimica la conoscono tutti
Le principali chimiche agli ioni di litio sono pubblicate, studiate e ampiamente comprese. Così sono le principali alternative. La chimica di solito non è il fossato competitivo.
Ciò che distingue un produttore di celle che ha successo da uno che non ce l'ha è fabbricare la stessa cella, alla stessa specifica, milioni di volte, con tassi di difetto abbastanza bassi per un prodotto che immagazzina una grande quantità di energia in uno spazio piccolo.
Una fabbrica di batterie è un'operazione di rivestimento e assemblaggio con requisiti di pulizia estremi. La chimica è la parte facile da acquisire.
Quattro variabili produttive portano gran parte del risultato.
Uniformità del rivestimento degli elettrodi. Il materiale attivo viene rivestito sul foglio. La variazione di spessore causa differenze locali nella densità di corrente, che producono invecchiamento irregolare e degrado localizzato.
Contaminazione. Particelle metalliche in una cella possono causare cortocircuiti interni, un problema di sicurezza più che di qualità. I requisiti di pulizia si avvicinano a quelli di alcuni processi semiconduttori.
Controllo dell'umidità. Elettroliti e materiali degli elettrodi sono sensibili all'umidità, quindi l'assemblaggio avviene in sale asciutte a umidità molto bassa, costose e severe.
Formazione. I primi cicli di carica formano uno strato sull'elettrodo che determina l'intera vita della cella, e questo passaggio è lento, energivoro e una frazione sostanziale del costo di fabbrica.
Cosa copre questa direzione
L'ambito: batterie, celle solari, materiali per l'idrogeno, catalizzatori e accumulo di energia.
Quattro aree.
Elettrochimica e materiali per batterie. Catodi, anodi, elettroliti, separatori, e come ciascuno contribuisce a energia, potenza, durata e sicurezza.
Materiali fotovoltaici. Celle al silicio e a film sottile, e materiali emergenti tra cui le perovskiti.
Catalizzatori. Per la produzione di idrogeno, le celle a combustibile e i processi industriali, collegandosi a biotecnologia industriale e lavorazione chimica.
Materiali per l'idrogeno. Stoccaggio, e il problema dell'infragilimento che vincola l'uso dell'infrastruttura esistente.
La degradazione è la specifica del prodotto
La riformulazione più importante di questa direzione.
Una batteria non si vende sulla prestazione da nuova. Si vende su come si comporta dopo anni di cicli, il che significa che il problema ingegneristico è la degradazione.
Quattro meccanismi che contano commercialmente.
Crescita dello strato d'interfaccia. Lo strato protettivo formato durante la prima carica continua a crescere lentamente, consumando litio e aumentando la resistenza. Gran parte dell'invecchiamento di calendario risale a qui.
Placcatura di litio. Sotto carica rapida o basse temperature, il litio può depositarsi come metallo invece di intercalarsi. Riduce la capacità e, nel caso peggiore, può creare cortocircuiti interni. È il vincolo centrale sulla carica rapida.
Fessurazione delle particelle. Il materiale attivo si espande e contrae con i cicli, e le particelle si fessurano, esponendo superficie fresca e accelerando la degradazione.
Effetti termici. La temperatura elevata accelera quasi ogni meccanismo di degradazione, motivo per cui la gestione termica è una preoccupazione di progetto a livello di cella, non un ripensamento dell'imballaggio.
L'implicazione sul personale: chi migliora un prodotto batteria è chi capisce i meccanismi di degradazione e sa collegare un guasto sul campo o una curva di perdita di capacità a una causa. Quella capacità è più scarsa della capacità di progettare celle.
Dove si colloca nel dominio
Materiali per l'energia è la nona delle undici direzioni nel dominio Materiali avanzati di Astra Trainer, e attinge a ceramiche per gli elettroliti solidi, nanotecnologia per le strutture di elettrodi e catalizzatori, ingegneria delle superfici per rivestimenti e interfacce, e minerali critici per la catena di fornitura alla base di tutto questo.
Si abbina al dominio energia, clima e nucleare, che copre accumulo di energia e tecnologia delle batterie, idrogeno e celle a combustibile, e ingegneria delle energie rinnovabili, e a manifattura avanzata per il livello di fabbrica. I partner nella produzione di celle hanno di solito bisogno di tutti e tre. Puoi vedere le undici direzioni qui.
Oltre le batterie: catalizzatori, solare e idrogeno
Tre aree nella stessa direzione, ciascuna con un vincolo specifico che merita di essere nominato.
Catalizzatori. Centrali per la produzione di idrogeno per elettrolisi, per le celle a combustibile e per la chimica industriale. I problemi ricorrenti sono il costo, poiché diversi catalizzatori efficaci si basano su metalli del gruppo del platino, scarsi, e la durata, poiché i catalizzatori degradano e si avvelenano in condizioni operative reali più che di laboratorio. Ridurre il carico di metallo prezioso mantenendo attività e durata è il problema ingegneristico vivo.
Fotovoltaico. Il silicio domina ed è un business manifatturiero maturo e ottimizzato sui costi, dove contano efficienza incrementale e costo. Le perovskiti hanno raggiunto efficienze di laboratorio impressionanti e il loro vincolo è la stabilità: degradazione sotto calore, umidità ed esposizione alla luce nei decenni che un modulo deve sopravvivere. Chi pianifica il personale intorno a esse dovrebbe sapere che la domanda aperta è la durata, non l'efficienza.
Materiali per l'idrogeno. Lo stoccaggio è difficile perché l'idrogeno ha bassa densità energetica volumetrica, e i materiali di contenimento affrontano l'infragilimento da idrogeno, che degrada molti metalli. È un vincolo materiale sull'uso dell'infrastruttura gas esistente e si collega direttamente alle direzioni metallurgia e corrosione.
I ruoli, nel dettaglio
Scienziati dei materiali per batterie. Sviluppo di catodi, anodi ed elettroliti.
Ingegneri di progetto celle.
Ingegneri di processo per il rivestimento degli elettrodi. Il ruolo che determina di più la resa di fabbrica, e costantemente scarso.
Ingegneri e tecnici di produzione batterie. La popolazione più numerosa mentre cresce la capacità delle gigafabbriche.
Specialisti di test e caratterizzazione celle. Cicli, studi di invecchiamento e analisi dei guasti.
Specialisti di sicurezza e test di abuso delle batterie. Una specializzazione regolamentata e pericolosa.
Scienziati e ingegneri dei catalizzatori.
Ingegneri di processo fotovoltaico nella produzione di celle e moduli.
Ingegneri di processo per il riciclo, per il recupero dei materiali delle batterie, collegandosi ai minerali critici.
Chi può essere formato per questo lavoro
Personale dell'industria del rivestimento e della stampa. La conversione meno ovvia e una delle più forti. La produzione di elettrodi è un'operazione di rivestimento di precisione, e chi viene da stampa, converting e rivestimento a bobina capisce uniformità, controllo della tensione e rilevazione dei difetti alla velocità. Le aziende di batterie li trascurano regolarmente.
Personale della produzione farmaceutica e alimentare. Disciplina di pulizia, controllo dell'umidità e documentazione dei lotti si trasferiscono tutti alle operazioni in sala asciutta.
Chimici ed elettrochimici. Verso sviluppo e test dei materiali.
Ingegneri chimici. Verso passaggio alla scala di processo e progettazione di fabbrica.
Personale di fabbriche semiconduttori. Controllo della contaminazione ed esperienza con film sottili si trasferiscono, in particolare alla produzione fotovoltaica.
Personale della manifattura automotive. Verso assemblaggio di celle e pacchi, dove la disciplina di produzione in volume è l'asset rilevante.
Pericoli gravi, e perché l'esperienza supervisionata non è facoltativa. Il lavoro sui materiali per batterie comporta elettroliti infiammabili, composti di litio reattivi e celle capaci di fuga termica, che produce incendi intensi e gas tossici. Il test di abuso è un'attività specializzata che richiede strutture dedicate. Il lavoro sull'idrogeno comporta rischi di infiammabilità e infragilimento, e diversi materiali per catalizzatori e fotovoltaico sono tossici. La formazione costruisce comprensione scientifica e di processo e consapevolezza dei pericoli. Non sostituisce l'autorizzazione di sicurezza specifica del sito, la qualifica della struttura o l'esperienza supervisionata che queste operazioni richiedono.
Cosa portare a casa
La chimica è ampiamente nota. Produrla in modo uniforme, pulito e su scala è il vero elemento distintivo, e una fabbrica di celle è un'operazione di rivestimento di precisione.
La degradazione è la vera specifica del prodotto, e la capacità scarsa è collegare una curva di perdita di capacità o un guasto sul campo a un meccanismo.
Costo e durata dei catalizzatori, stabilità delle perovskiti, e infragilimento da idrogeno sono i tre vincoli nominati nel resto della direzione, e ognuno è un problema di materiali più che di concetto.
Il personale di rivestimento e stampa è la conversione che nessuno fa, e il personale della produzione farmaceutica porta la disciplina della sala asciutta.
E i pericoli qui sono abbastanza gravi che l'esperienza supervisionata fa parte della competenza più che un'aggiunta a essa.
Lo sviluppo delle batterie riguarda principalmente nuova chimica?
No. Le principali chimiche sono ampiamente comprese. L'elemento distintivo è la produzione: uniformità del rivestimento degli elettrodi, controllo della contaminazione, controllo dell'umidità e il passaggio di formazione che determina la vita della cella.
Perché la degradazione conta più della prestazione iniziale?
Perché le batterie si vendono sulla durata. Crescita dello strato d'interfaccia, placcatura di litio, fessurazione delle particelle ed effetti termici determinano cosa vale davvero il prodotto, e collegare i dati sul campo a un meccanismo è la competenza scarsa.
Cosa limita le celle solari a perovskite?
La stabilità più che l'efficienza. Le efficienze di laboratorio sono impressionanti; la degradazione sotto calore, umidità e luce nei decenni che un modulo deve sopravvivere è la domanda aperta.
Chi si converte alla produzione di batterie?
Il personale di rivestimento, stampa e converting a bobina, che capisce il rivestimento di precisione ad alta velocità ed è regolarmente trascurato. Il personale della produzione farmaceutica e alimentare porta disciplina di pulizia e controllo dell'umidità per le sale asciutte.
Dove si colloca questa direzione nel dominio?
Nona delle undici direzioni nel dominio Materiali avanzati di Astra Trainer, abbinata al dominio energia, clima e nucleare e a manifattura avanzata. Puoi vederle qui.