اشتراک گذاری با دوستان
وضعیت: باز
شماره سند:
تاریخ انتشار: 1403/03/30
مهلت ارسال پیشنهاد: 1403/04/05
فرصت‌ها: براساس پیشنهاد‌ها قابل مذاکره خواهد بود.
تماس : 02166530680 – 02166533864
ارسال پروپوزال‌ها: https://ghazal.inif.ir
ضرورت مسئله
روند جهانی در کشورهای پیشرفته در راستای کمک به محیط‌زیست و حذف مواد مضر در فرایند تولید باتری‌های لیتیوم یون، بر لزوم انتقال از فرایند آلی به آبی در ساخت کاتد باتری تاکید دارد. یکی از مراحل ساخت باتری‌های لیتیوم یون پوشش‌دهی پودرهای آندی و کاتدی است که در صنعت معمولاً از چسب‌های پایه آبی برای پوشش‌دهی آند و از چسب PVDF و حلال NMP برای کاتد استفاده می‌شود. حذف ماده سمیNMP دو اثر مهم دارد؛ کاهش قیمت تمام‌شده باتری و کاهش اثرات زیست‌محیطی.
با وجود مزایای زیست‌محیطی، ساخت الکترود بر پایه دوغاب آبی چالش‌های خود را داراست. به طور مثال استفاده از حلال آبی برای ساخت دوغاب کاتدی باعث تشکیل هیدروکسید لیتیوم و کربنات لیتیوم می‌شود که تاثیرات نامطلوبی بر عملکرد باتری خواهد داشت. البته حذف این حلال از چندین لحاظ می‌تواند به کاهش قیمت باتری لیتیومی بینجامد، علت این امر در چند موضوع خلاصه می‌شود: قیمت PVDF به عنوان چسب و NMP به عنوان حلال آن بالاست. با توجه به اینکه یکی از اهداف شرکت‌‌های تولیدکننده باتری، کاهش قیمت محصول نهایی است این مورد می‌تواند به کاهش قیمت کلی باتری کمک کند. قیمت NMP بین 1تا 3 دلار در هر کیلوگرم است، درحالیکه قیمت آب 0.015 دلار بر کیلوگرم می‌باشد. همچنین قیمت PVDF بین 8 تا10 دلار است، در حالیکه قیمت CMC بین 2 تا 5 دلار می‌باشد. لذا جایگزینی موفق این چسب و حلال قیمت تمام‌شده باتری را کاهش خواهد داد.
مشروح مسئله تحقیقاتی
با توجه به اینکه استفاده از حلال آبی برای ساخت دوغاب کاتدی می‌تواند تاثیرات نامطلوبی بر عملکرد باتری داشته باشد و از طرفی، با توجه به سخت‌گیری و الزامات محیط‌زیستی، صنعت باتری ناچار به حذف NMP از فرمولاسیون خود خواهد بود. از طرف دیگر با توجه به محدودیت منابع لیتیوم، نیکل و کبالت بازیافت باتری اهمیت زیادی خواهد داشت. در این صورت برای حذف بایندر نیاز به استفاده مجدد از حلال NMP خواهد بود. در حالیکه الکترود کاتدی بر پایه آب به راحتی در آب که حلالی مناسب از نظر زیست‌محیطی است، حل شده و اثرات زیست‌محیطی NMP را در مرحله بازیافت حذف می‌نماید. همچنین باتوجه به اهمیت روزافزون عناصر مذکور در صنعت باتری، حلال NMP (در صورت استفاده از بایندرهای پایه آبی) برای بازیافت مورد استفاده نخواهد بود. شرکت متقاضی با توجه به اینکه دانش فنی ساخت باتری‌های لیتیوم یون رایج را دارد، این نیاز را در بخش تحقیق و توسعه احساس می‌کند که دانش فنی کاتدهای پایه آبی را نیز توسعه دهد و مهمترین سوالی که در این زمینه مطرح می‌کند این است که آیا امکان استفاده از حلال آبی با کمترین اثر نامطلوب بر روی باتری وجود دارد یا خیر؟ طبعاً ماده جایگزین NMP باید به راندمان باتری کمک کند و از معایب آن بکاهد؛
1-در حال حاضر برای جلوگیری از انتشار NMP در کارخانه‌ها نیاز به تجهیزات گران‌قیمت جمع‌آوری بخارات آن و سپس تبدیل آن به مایع و سپس امحاء آن می‌باشد. این فرایند خود انرژی‌بر بوده و باعث افزایش قیمت تولید می‌شود. از طرف دیگر با حذف این حلال در صنعت هزینه سرمایه اولیه راه‌اندازی کارخانه تولید باتری لیتیومی‌کاهش یافته و همان‌طور که گفته شد باعث کاهش قیمت تمام شده تولید باتری شده و مطلوب است.
2- موضوع مهم دیگری که به آینده صنعت باتری لیتیومی‌گره خورده است، موضوع بازیافت این باتری‌هاست. در حال حاضر بهترین حلال برای جدا کردن ماده فعال کاتدی از فویل آلومینیوم همان حلال NMP است، در صورتی‌که از چسب پایه آبی و حلال آب استفاده شود، در هنگام بازیافت باتری دیگر نیازی به استفاده از NMP نخواهد بود. الکترود پایه آبی را می‌توان به راحتی در آب شستشو داد و مواد فعال کاتدی را از فویل جدا کرد.
3- مسئله دیگر زمان خشک شدن الکترودهایی پایه آبی و آلی است. نقطه تبخیر آب 100 و نقطه تبخیر NMP 203 درجه است. در مجموع سرعت تبخیر حلال آب سریع‌تر است که منجر به کاهش مصرف انرژی می‌شود. در شکل 1 استفاده از حلال پایه آبی و آلی در مراحل فرایند تولید مقایسه شده است.
ذکر این نکته ضروری است که آزمودن چسب‌های مختلف در آند و کاتد امکان‌پذیر است اما چون به‌صورت سنتی در آند از چسب CMC حلال در آب استفاده شده و این امر در صنعت متداول است، لذا موضوع این پژوهش به الکترود آند مرتبط نمی‌شود و به کاتد باتری لیتیومی پرداخته خواهد شد. مواد جایگزین PVDF در الکترود کاتد باید خواص زیر را داشته باشند:
1- انعطاف‌پذیری
2- پایداری شیمیایی، حرارتی و الکتروشیمیایی
3- حل نشدن در الکترولیت
4- چسبندگی خوب به سطح
5- هدایت یونی و الکترونی قابل قبول
6- قابلیت پوشش یکنواخت بر روی جمع‌کننده جریان
7- قیمت مناسب
8- دوست‌دار محیط‌زیست
در شکل 2 انواع چسب‌های پلیمری در الکترودها نشان داده شده است. برخی از این چسب‌ها حاوی فلوئور نیستند که می‌تواند خطر تشکیل HF را کاهش دهد. برخی دیگر هم در خانواده بیو پلیمر قرار می‌گیرند.
با توجه به اینکه این پژوهش، تغییر تکنولوژی در خط تولید است لذا آزمون‌های متعدد و پیچیده‌ای باید انجام شود. به طور کلی مراحل شامل دسته بندی‌های زیر است:
1) آزمون‌های فرایندی
با توجه به حساسیت موضوع ساخت باتری چنانچه در هر مرحله به‌طور مثال ساخت الکترود مشکلی وجود داشته باشد این مشکل خود را در مرحله تست اجرایی باتری نشان خواهد داد. بنابراین مراحل ساخت باتری باید کاملاً رصد شده و مورد ارزیابی قرار گیرد. به‌طور مثال مرحله ساخت دوغاب، مرحله پوشش‌دهی، مرحله خشکایش و مرحله بستن باتری.
2) آزمون‌های مشخصه یابی
در هر مرحله کاتد و پوشش مورد نظر باید دقیقاً مشخصه‌یابی شوند. به طور مثال ترک در ذرات و پوشش باید با مطالعات میکروسکوپی SEM یا تغییرات فازی باید با XPS,XRD,FTIR مطالعه شوند. این مطالعات باید در سیکل‌های مشخصی تکرار شوند.
3) آزمون‌های الکتروشیمیایی
در نهایت آزمون‌های عملکردی باتری باید با شارژ و دشارژ باتری و انجام تست‌های CV,EIS و … انجام شوند تا عملکرد الکتروشیمیایی باتری نظیر ظرفیت، توان و عمر سیکلی بررسی شود.
گام‌های تحقیق
- انتخاب سیستم مناسب چسب و حلال و دیگر اجزا (شامل آند و کاتد و الکترولیت و سپراتور)
- ساخت دوغاب و بررسی رفتار رئولوژی دوغاب و تاثیر آن‌ها بر پوشش
- پوشش‌دهی بر روی فویل (تاثیر پارامترها بر ضخامت و تخلخل و Mass Loading)
- خشکایش پوشش و تاثیر سرعت خشکایش بر میزان آب باقیمانده در پوشش
- تست‌های چسبندگی پوشش به زیرلایه و تاثیر نوع چسب بر خواص مکانیکی پوشش
- گرفتن تست‌های الکتروشیمیایی ظرفیت، نرخ، امپدانس، CV
- آزمون‌های دوره‌ای حین تست عمر باتری مشابه تست امپدانس
- بستن سل سکه‌ای 2032 و رفع هشت چالش ذکر شده برای دوغاب‌های آبی
خروجی‌های مورد انتظار تحقیق
- سل سکه‌ای 2032 با رویکرد حذف NMP از چرخه تولید باتری و دستیابی به 80 تا 90% شاخص‌های زیر:
- ظرفیت ویژه (در دشارژ 0.5 سی) =150 میلی آمپرساعت بر گرم
- توان = C2 (حداکثر افت 20 درصد)
- عمر سیکلی= بیش از 200 سیکل با افت کمتر از 20 %
- سنتز کاتد باتری قابل رقابت به لحاظ عملکرد الکتروشیمیایی (در مقایسه با باتری‌های مبتنی بر حلال NMP در فرمولاسیون دوغاب)
تجهیزات و زیرساخت‌هایی که متقاضی تحقیق می‌تواند در اختیار مجری قرار دهد
- دستگاه شارژ-دشارژ
- گلاوباکس
گلوگاه احتمالی
- تشکیل ترک بر روی پوشش کاتدی؛ استفاده از دوغاب آبی پایداری دوغاب را کاهش می‌دهد که در نتیجه در حین خشک شدن لایه ترک می‌خورد. این مسئله به خصوص برای الکترودهای ضخیم بیشتر دیده می‌شود. تنش‌های ناشی از خشک شدن باعث تشکیل حفرات مویین می‌شود که باعث بسته شدن حفرات است و گسترش ترک‌ها می‌باشد.
- خوردگی زیرلایه آلومینیومی؛ وقتی ماده کاتدی در آب پراکنده می‌شود pH دوغاب افزایش پیدا می‌کند و در pH قلیایی زیر لایه آلومینیومی شروع به خورده شدن می‌کند. این مشکل به دو طریق قابل رفع است. اول بالا بردن pH با اسیدهایی نظر H3PO4 و روش دوم پوشش دهی زیرلایه آلومینیومی‌با مواد پایه کربنی است.
- حل شدن و جدا شدن لیتیوم از سطح کاتد؛ لیتیوم موجود در سطح مواد کاتدی غنی از نیکل با آب و دی اکسید کربن واکنش داده و ترکیباتی لیتیومی شامل کربنات لیتیوم و هیدروکسید لیتیوم تشکیل می‌دهد. به این ترتیب ظرفیت ماده فعال را کاهش می‌دهد.
- رطوبت باقی مانده در پوشش؛ تحقیقات نشان می‌دهد پس از خشک شدن الکترود ساخته شده با حلال پایه آبی رطوبت بیشتری در ساختار الکترود محبوس می‌شود که باعث کاهش عمر سیکلی باتری می‌شود. از طرف دیگر دما و زمان خشکایش می‌تواند این اثر مخرب را کاهش دهد. لذا پیدا کردن دما و زمان مناسب برای خشکایش حایز اهمیت است.
- مشکل عمر سیکلی و کیفیت در این باتری؛ گزارش‌هایی که در این زمینه وجود دارد و موفق به جایگزینی چسب شده‌اند، عمدتاً نشان می‌دهند که طول عمر باتری در مقایسه با باتری‌های پایه آلی کوتاه تر است.
- مشکل بزرگ کردن مقیاس از سطح باتری سکه ای به پاچ سل
معیارهای ارزیابی و انتخاب مجری
- تحصیلات و سوابق تیم تحقیقاتی و تناسب آن با مسئله
- رویکرد فنی تیم تحقیقاتی به مسئله
- دسترسی به تجهیزات آزمایشگاهی و مواد اولیه و سایر الزامات اجرای تحقیق
- زمان و هزینه اجرای تحقیق
تسهیم مالکیت فکری
- مالکیت معنوی: مجری در مالکیت معنوی ناشی از اجرای تحقیق سهیم خواهد بود و انتشار مقاله مشترک توسط مجری و متقاضی در ژورنال‌های داخلی و خارجی، ارائه مقاله در کنفرانس‌ها و سمینارها با موافقت و اشاره به نام همه دست‌اندرکاران مجاز خواهد بود.
- مالکیت منافع مادی: با توجه به مدل کسب‌وکار شرکت متقاضی، منافع مالی ناشی از توسعه این فناوری تماماً متعلق به شرکت متقاضی بوده و مجری صرفاً حق‌الزحمه اجرای پروژه تحقیقاتی را دریافت خواهد کرد.
روش ارسال پیشنهاد
پروپوزال‌ها صرفاً باید در چارچوب موردنظر صندوق نوآوری و شکوفایی، تدوین و حداکثر تا تاریخ 5 تیرماه 1403 در سامانه غزال به آدرس https://ghazal.inif.ir ارسال شوند. پروپوزال‌هایی که در چارچوبی غیرازآن، یا به روش‌های دیگر به دست صندوق برسند، وارد فرایند ارزیابی نخواهند شد.