Kietojo kūno akumuliatoriai tapo perspektyviausia ličio baterijų pakeitimo technologija. MIT apibendrino naujausią pažangą kietojo kūno baterijų technologijose

Kietojo kūno akumuliatoriai (SSB) yra nauja baterijų technologija, turinti didelį energijos tankį, galinti konkuruoti su ličio jonų baterijomis (LIB), kurios tiekia energiją įvairiems elektroniniams prietaisams dabartinėje rinkoje. Skirtingai nuo tradicinių ličio jonų baterijų, kietojo kūno akumuliatoriuose yra kietas keraminis elektrolitas, kuris atskiria anodą ir katodą akumuliatoriaus viduje. Kai kuriose baterijose ši konstrukcija gali naudoti litį kaip anodą.

Kad kietojo kūno baterijas būtų galima komercializuoti ir pritaikyti dideliu mastu, mokslininkai turi nustatyti ekonomiškai efektyvias strategijas, skirtas atskiriems komponentams gaminti ir sukurti perspektyvius baterijų elementų dizainus. Masačusetso technologijos instituto (MIT) mokslininkai parašė apžvalginį straipsnį, kuriame apibendrina naujausius pokyčius šioje srityje ir išdėsto kietųjų elektrolitų apdorojimo strategijas ir elektrolitų / katodų serijos jungtis, kurios gali būti naudojamos būsimam SSB projektavimui.

Dėl to, kad dauguma ankstesnių tyrimų buvo skirti granuliuotiems kietiems elektrolitams, dabartinėse SSB sąnaudų prognozėse nurodytos 75% gamybos sąnaudos yra labai pervertintos, nes jos yra pagrįstos aukštos temperatūros klasikine sukepinimo technologija, skirta kietojo elektrolito apdorojimui. Vienas iš tyrėjų, atliekantis šį tyrimą, Moranas Balaishas, ​​paaiškino, kad kai kurios prognozės rodo, kad jei kaina yra lemiamas veiksnys, SSB, pagrįsto oksidiniais kietaisiais elektrolitais, kaina yra didelė ir beveik neįmanoma konkuruoti su LIB. Mes teikiame žemos temperatūros gamybos sprendimus, turinčius įtakos akumuliatoriaus surinkimui, ir siūlome, kad mokslininkai ne tik praneštų ir apmąstytų klasikinę Arrhenius transportavimo Li+ diagramą ir elektrocheminio stabilumo langą, bet ir apmąstytų naują „karšto apdorojimo biudžetą“.

Savo darbe Rupp ir jos kolegos pabrėžia, kad dabar yra pakankamai galimybių gaminti keramines SSB elektrolitų plėveles žemoje temperatūroje, kurių dydžių diapazonas yra 1-20um. Be to, jie taip pat pasiūlė, kad esamos strategijos galėtų sumažinti SSB gamybos sąnaudas, vengiant brangios bendro degimo strategijos gaminant katodus ir elektrolitus.

Pavyzdžiui, jei projektuojant ir gaminant SSB oksido baterijas vengiama aukštos temperatūros kobalto, katodinėms medžiagoms gaminti galima naudoti mažiau kobalto, o tai padeda išvengti būsimų geopolitinių išteklių konfliktų, aiškina Rupp.

Ateityje alternatyvi bendro sukepinimo strategija, kurią aptarė Rupp ir jos kolegos, gali turėti įtakos oksiduotų ličio kietojo kūno baterijų konkurencingumui. Be to, jie taip pat gali sudaryti sąlygas tolesniems tyrimams dėl žemos temperatūros kietųjų elektrinių transporto priemonių ar nešiojamų elektroninių gaminių akumuliatorių.

Iki šiol dauguma laboratorinių tyrimų akademinėje bendruomenėje buvo pasirinkę gaminti sukepintas daleles kaip bandomąsias medžiagas ir surinkti baterijas, o tik kelios grupės tiria alternatyvius sprendimus, tokius kaip magnetinių juostų ir plonų plėvelių kūrimas, kad būtų galima pritaikyti prie SSB diegimo ir konkurencingo dizaino. ploni ir tvirti elektrolitai. Yra daug istorinių priežasčių, susijusių su šios srities plėtra, tačiau jos trūkumas yra per stiprus dalelių sukepinimas, o tai riboja kobalto redukcijos katodo integraciją. Jo išoriniai matmenys nėra idealūs, o proceso kaina yra didelė, nes daugiau šių katodinių medžiagų yra nestabilios (pagal fazių diagramas) aukštoje temperatūroje kartu su elektrolitiniais komponentais.

Apžvalgos dokumentas, kurį parašė Rupp ir jos kolegos, galiausiai perdavė gana paprastą žinutę. Konkrečiau, jame pabrėžiami perėjimo prie SSB elektrolitų sintezės pranašumai, todėl jų dydis yra panašus į klasikinių polimerų separatorių LIB. Pasak mokslininkų, tokia transformacija yra vertinga gerinant SSB struktūrą ir sumažinant jos kainą, taip pat suteikiant naujų galimybių integruoti ne kobalto katodus didesniu mastu.

Nustebome pastebėję, kad nors SSB konstrukcijose su techniniais reikalavimais elektrolitai yra ploni ir tvirti, šioje srityje vis dar trūksta duomenų, rodančių daugumą Arrhenius diagramų ir elektrocheminių langų, pagrįstų milimetro dydžio sukepintomis dalelėmis. Juanas Carlosas Gonzalezas Rosillo buvo vienas pirmųjų autorių.

Nors keli tyrimai išryškino SSB, kurių komponentų storis yra tik keli mikrometrai, potencialą, iki šiol tik kelios komandos pasiūlė veiksmingas strategijas didelio masto šių komponentų gamybai. Savo darbe Rupp ir jos kolegos pasiūlė metodą, kuris galiausiai gali pasiekti šį tikslą, remiantis per pastaruosius kelerius metus surinktais tyrimų duomenimis.

Kai kurie iš mūsų iškeltų klausimų yra šie: kokie metodai yra tinkami šiems komponentams kurti, ir, svarbiausia, kaip šie metodai paveiks terminio apdorojimo biudžetą, kad sumažintų išlaidas ir suteiktų pasirinkimų, kad būtų išvengta katodo / elektrolito komponentų bendro sukepinimo? Rupp pridūrė: Mūsų apžvalga buvo nuolankios pastangos įkvėpti kitas komandas ieškoti alternatyvių plonų ir tvirtų SSB gamybos sprendimų, taip pat SSB elektrolitų.

Būsimuose tyrimuose mokslininkai planuoja sutelkti dėmesį į du pagrindinius SSB kūrimo aspektus. Pirma, jie tikisi apibūdinti įvairias kitas strategijas, kurios gali būti naudojamos SSB katodams ir elektrolitams apdoroti, nepasikliaujant bendro sukepinimo procesais.

Ruppas paaiškino, kad tai yra sudėtingos ir daug daugiau laiko reikalaujančios alternatyvos nei procesai, pagrįsti klasikiniais miltelių į daleles arba juostelės keliais, nes yra platus parametrų laukas ir geriausias tankinimo protokolas, o kietos cheminės sudėties stechiometrijos išlaikymas nėra tinkamas. kad paprasta. Tačiau jei problemos bus išspręstos, tai gali pasiūlyti vertingų alternatyvių gamybos metodų, o tai yra pagrindinis akmuo siekiant ilgalaikės integracijos į daugiau kobaltą mažinančių katodų medžiagų.

Rupp ir jos kolegos taip pat planuoja atlikti naujus tyrimus, siekdami išsiaiškinti, kaip paspartinti didelio masto SSB kūrimą ir diegimą. Apskaičiuota, kad šiuo metu SSB elektrolitų projektavimas, kūrimas ir gamyba laboratorinėje aplinkoje vidutiniškai užtruks daugiau nei 10 metų. Norint sumažinti šių komponentų dydžio koeficientą, gali prireikti papildomų 5-10 metų. Šie ilgi laikotarpiai rodo greitesnių apdorojimo metodų poreikį.

Atlikdami dabartinius tyrimus, tyrinėjame ir pristatome greito keraminių junginių ir jų cheminių komponentų atrankos ir greito automatizuoto apdorojimo perspektyvą, kad patikrintume veikimą ir greičiau kartotume optimalų gamybos būdą. Tai nėra taip paprasta, kaip žmonės įsivaizduoja, nes tradiciniu kietojo kūno baterijų apdorojimo būdu akademinėje bendruomenėje naudojami milteliai arba sukepinti junginiai, kurie yra tam tikro sudėtingumo greitam patikrinimui ir automatizuotų ciklų vykdymui. Tikimės paremti savo darbą konkrečiais pavyzdžiais ir analize, nes šie galimi metodai labiau tinka ieškant geriausių apdorojimo sąlygų greitam važiavimui dviračiu ir automatizavimu bei projektuojant ir gaminant komponentus ir baterijas būsimiems kietojo kūno akumuliatoriams.