Твердотільні батареї стали найперспективнішою технологією для заміни літієвих батарей. MIT підсумував останні досягнення в технології твердотільних батарей

Твердотільні батареї (SSB) – це нова технологія батареї з високою щільністю енергії, яка може конкурувати з літій-іонними батареями (LIB), які забезпечують живлення різних електронних пристроїв на поточному ринку. На відміну від традиційних літій-іонних акумуляторів, твердотільні акумулятори мають твердий керамічний електроліт, який розділяє анод і катод всередині акумулятора. У деяких акумуляторах ця конструкція може використовувати літій як анод.

Перш ніж твердотільні батареї можна буде комерціалізувати та застосовувати у великих масштабах, дослідники повинні визначити економічно ефективні стратегії виробництва їх окремих компонентів і розробити багатообіцяючі конструкції акумуляторних елементів. Дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) написали оглядову статтю, у якій узагальнюють останні розробки в цій галузі та описують стратегії обробки твердих електролітів і послідовних з’єднань електроліт/катод, які можна використовувати для майбутнього проектування SSB.

У зв’язку з тим, що більшість попередніх досліджень було зосереджено на гранульованих твердих електролітах, вартість виробництва 75%, зазначена в поточному прогнозі вартості SSB, є значно завищеною, оскільки вони базуються на високотемпературній класичній технології спікання для обробки твердого електроліту. Один із дослідників, який проводив це дослідження, Моран Балайш, пояснив, що деякі прогнози свідчать про те, що якщо вартість є визначальним фактором, вартість SSB на основі оксидних твердих електролітів висока і майже неможлива конкурувати з LIB. Ми надаємо виробничі рішення при низьких температурах, які впливають на складання акумулятора, і пропонуємо дослідникам не лише повідомити та подумати про класичну транспортну діаграму Арреніуса Li+ та вікно електрохімічної стабільності, але й подумати про новий «бюджет гарячої обробки».

У своїй роботі Рапп та її колеги підкреслюють, що зараз є достатньо можливостей для виробництва керамічних електролітних плівок SSB за низьких температур із діапазоном розмірів 1-20um. Крім того, вони також запропонували, що існуючі стратегії можуть знизити вартість виробництва SSB, уникаючи дорогої стратегії спільного спалювання виробництва катодів і електролітів.

Наприклад, якщо при розробці та виробництві оксидних батарей SSB уникнути високотемпературного спільного спікання, для виробництва катодних матеріалів можна буде використовувати менше кобальту, що допоможе уникнути майбутніх геополітичних конфліктів щодо ресурсів, пояснює Рупп.

У майбутньому альтернативна стратегія спільного спікання, яку обговорюють Рупп та її колеги, може вплинути на конкурентоспроможність твердотільних батарей на основі окисленого літію. Крім того, вони також можуть прокласти шлях для подальших досліджень низькотемпературних твердих батарей для електромобілів або портативних електронних продуктів.

Поки що більшість лабораторних досліджень в академічних колах вибирали виробництво спечених частинок як тестових матеріалів і збирання батарей, лише кілька груп вивчали альтернативні рішення, такі як розробка магнітних стрічок і тонких плівок для адаптації до реалізації та конкурентоспроможного дизайну SSBs з тонкі та міцні електроліти. Існує багато історичних причин, пов’язаних з розвитком цієї галузі, однак її недоліком є ​​те, що спікання частинок є занадто сильним, що обмежує інтеграцію кобальтового відновного катода. Його зовнішні розміри не є ідеальними, а вартість процесу висока, оскільки більшість цих катодних матеріалів нестабільні (через фазові діаграми) лише при високотемпературному спільному спалюванні з електролітичними компонентами.

Оглядова стаття, написана Рапп та її колегами, зрештою передала досить просте повідомлення. Більш конкретно, він підкреслює переваги переходу до синтезу електролітів SSB, роблячи їх розмір подібним до розміру класичних полімерних сепараторів у LIB. На думку дослідників, таке перетворення є цінним для покращення структури SSB та зниження його вартості, а також забезпечує нові можливості для інтеграції некобальтових катодів у більшому масштабі.

Ми були здивовані, виявивши, що навіть незважаючи на те, що конструкції SSB з технічними вимогами мають тонкі та міцні електроліти, у цій галузі все ще бракує даних, які б показували більшість діаграм Арреніуса та електрохімічних вікон на основі спечених частинок міліметрового розміру. Хуан Карлос Гонсалес Росільо був одним із перших авторів.

Незважаючи на те, що кілька досліджень підкреслили потенціал SSBs з товщиною компонентів лише в кілька мікрометрів, досі лише кілька команд запропонували ефективні стратегії для великомасштабного виробництва цих компонентів. У своїй статті Рупп та її колеги запропонували метод, який може врешті-решт досягти цієї мети на основі даних досліджень, зібраних протягом останніх кількох років.

Деякі з питань, які ми підняли в статті, такі: які методи підходять для розробки цих компонентів, і, що важливо, як ці методи вплинуть на бюджет термічної обробки, щоб зменшити витрати та надати вибір, щоб уникнути спільного спікання компонентів катода/електроліту? Рапп додав: «Наш огляд був скромною спробою надихнути інші команди на пошук альтернативних рішень для виробництва тонких і міцних SSB, а також електролітів для SSB.

У майбутніх дослідженнях дослідники планують зосередитися на двох основних аспектах розвитку SSB. По-перше, вони сподіваються окреслити різні інші стратегії, які можна використовувати для обробки катодів і електролітів SSB, не покладаючись на процеси спільного спікання.

Рупп пояснив, що всі ці альтернативи є складними та потребують набагато більше часу, ніж процеси, засновані на класичних маршрутах з порошку на частинки або на стрічку, оскільки існує величезне поле параметрів і найкращий протокол ущільнення, а збереження стехіометрії твердого хімічного складу не є обов’язковим. так просто. Однак, якщо проблеми будуть вирішені, вони можуть забезпечити цінні альтернативні методи виробництва, що стане першим каменем до довгострокової інтеграції більшої кількості катодних матеріалів, що відновлюють кобальт.

Рапп і її колеги також планують провести нове дослідження, щоб дізнатися, як прискорити широкомасштабну розробку та впровадження SSB. В даний час проектування, розробка та виробництво електролітів SSB в лабораторних умовах, за оцінками, займає в середньому більше 10 років. Для зменшення розміру цих компонентів може знадобитися ще 5-10 років. Ці тривалі періоди часу підкреслюють потребу в більш швидких технологіях обробки.

У нашому поточному дослідженні ми досліджуємо та представляємо перспективу швидкого скринінгу та швидкої автоматизованої обробки керамічних сполук та їхніх хімічних компонентів для перевірки продуктивності та швидшого визначення оптимального виробничого маршруту. Це не так просто, як люди уявляють, оскільки традиційний спосіб обробки твердотільних батарей в академічних колах використовує порошок або спечені сполуки, які мають певний ступінь складності для швидкого скринінгу та запуску автоматизованих циклів. Ми сподіваємося підтримати нашу роботу конкретними прикладами та аналізом, оскільки ці потенційні методи більше підходять для пошуку найкращих умов обробки для швидкого циклу та автоматизації, а також для проектування та виробництва компонентів і батарей для майбутніх твердотільних батарей.