Pevné baterie se staly nejslibnější technologií nahrazující lithiové baterie. MIT shrnul nejnovější pokrok v technologii polovodičových baterií

Pevné baterie (SSB) jsou nově vznikající bateriovou technologií s vysokou hustotou energie, která může konkurovat lithium-iontovým bateriím (LIB), které poskytují energii pro různá elektronická zařízení na současném trhu. Na rozdíl od tradičních lithium-iontových baterií mají polovodičové baterie pevný keramický elektrolyt, který odděluje anodu a katodu uvnitř baterie. V některých bateriích může tento design používat lithium jako anodu.

Než budou moci být polovodičové baterie komercializovány a aplikovány ve velkém měřítku, musí výzkumníci identifikovat nákladově efektivní strategie pro výrobu jejich jednotlivých součástí a vyvinout slibné návrhy bateriových článků. Výzkumníci z Massachusettského technologického institutu (MIT) napsali přehledový článek, který shrnuje nejnovější vývoj v oboru a nastiňuje strategie zpracování pevných elektrolytů a sériových zapojení elektrolyt/katoda, které lze použít pro budoucí návrh SSB.

Vzhledem k tomu, že většina předchozích výzkumů se soustředila na granulované tuhé elektrolyty, jsou 75% výrobní náklady uvedené v současné predikci nákladů na SSB značně nadhodnoceny, protože jsou založeny na technologii vysokoteplotního klasického slinování pro zpracování pevných elektrolytů. Jeden z výzkumníků provádějících tuto studii, Moran Balaish, vysvětlil, že některé předpovědi naznačují, že pokud je určujícím faktorem cena, cena SSB na bázi oxidových pevných elektrolytů je vysoká a téměř nemožné konkurovat LIB. Poskytujeme nízkoteplotní výrobní řešení, která ovlivňují montáž baterií, a navrhujeme, aby výzkumníci nejen informovali a uvažovali o klasickém Arrheniusově transportním Li+diagramu a okně elektrochemické stability, ale také uvažovali o novém „horkém zpracovatelském rozpočtu“.

Rupp a její kolegové ve svém článku zdůrazňují, že nyní existuje dostatek příležitostí pro výrobu keramických SSB elektrolytických filmů při nízkých teplotách o velikosti 1-20um. Kromě toho také navrhli, že stávající strategie mohou snížit výrobní náklady SSB tím, že se vyhnou drahé strategii společného spalování výroby katod a elektrolytů.

Například, pokud se při navrhování a výrobě SSB oxidových baterií zabrání vysokoteplotnímu společnému slinování, může být k výrobě katodových materiálů použito méně kobaltu, což pomáhá vyhnout se budoucím geopolitickým konfliktům o zdroje, vysvětluje Rupp.

V budoucnu může alternativní strategie společného spékání diskutovaná Ruppem a jejími kolegy ovlivnit konkurenceschopnost polovodičových baterií na bázi oxidovaného lithia. Kromě toho mohou také připravit cestu pro další výzkum nízkoteplotních pevných baterií pro elektromobily nebo přenosné elektronické produkty.

Většina laboratorního výzkumu v akademické sféře se dosud rozhodla vyrábět slinuté částice jako testovací materiály a sestavovat baterie, přičemž pouze několik skupin studovalo alternativní řešení, jako je vývoj magnetických pásek a tenkých filmů, aby se přizpůsobily implementaci a konkurenčnímu návrhu SSB s tenké a pevné elektrolyty. S rozvojem tohoto oboru souvisí mnoho historických důvodů, jeho nevýhodou je však příliš silné slinování částic, což omezuje integraci kobaltové redukční katody. Jeho vnější rozměry nejsou ideální a procesní náklady jsou vysoké, protože více těchto katodových materiálů je pouze nestabilních (přes fázové diagramy) při vysokoteplotním společném vypalování s elektrolytickými složkami.

Recenze, kterou napsala Rupp a její kolegové, nakonec přinesla docela jednoduché poselství. Konkrétněji zdůrazňuje výhody přechodu k syntéze SSB elektrolytů, čímž se jejich velikost podobá velikosti klasických polymerních separátorů v LIB. Podle výzkumníků je taková transformace cenná pro zlepšení struktury SSB a snížení její ceny a zároveň poskytuje nové možnosti pro integraci nekobaltových katod ve větším měřítku.

Překvapilo nás, když jsme zjistili, že i když konstrukce SSB s technickými požadavky mají tenké a odolné elektrolyty, stále je v této oblasti nedostatek údajů, které ukazují většinu Arrheniusových diagramů a elektrochemických oken založených na milimetrových slinutých částicích. Juan Carlos Gonzalez Rosillo byl jedním z prvních autorů.

Ačkoli několik studií zdůraznilo potenciál SSB s tloušťkou komponent pouze několik mikrometrů, zatím jen málo týmů navrhlo účinné strategie pro výrobu těchto komponent ve velkém měřítku. Rupp a její kolegové ve svém článku navrhli metodu, která může nakonec tohoto cíle dosáhnout, na základě výzkumných důkazů shromážděných v posledních několika letech.

Některé z otázek, které jsme v tomto článku položili, jsou: jaké metody jsou vhodné pro vývoj těchto součástí, a co je důležité, jak tyto metody ovlivní rozpočet tepelného zpracování, aby se snížily náklady a poskytly možnosti, jak se vyhnout společnému slinování součástí katody/elektrolytu? Rupp dodal: Naše recenze byla skromným úsilím inspirovat ostatní týmy k prozkoumání alternativních řešení pro výrobu tenkých a odolných SSB, stejně jako elektrolytů pro SSB.

V budoucím výzkumu se výzkumníci plánují zaměřit na dva hlavní aspekty vývoje SSB. Za prvé, doufají, že načrtnou různé další strategie, které lze použít pro zpracování SSB katod a elektrolytů, aniž by se spoléhali na procesy společného slinování.

Rupp vysvětlil, že to všechno jsou náročné a mnohem časově náročnější alternativy než procesy založené na klasických práškových až částicových nebo páskových cestách, protože existuje široké pole parametrů a nejlepší zhušťovací protokol, při zachování stechiometrie pevného chemického složení není tak jednoduché. Pokud se však problémy vyřeší, mohou poskytnout cenné alternativní výrobní metody, což je základní kámen k dlouhodobé integraci katodových materiálů s větším množstvím kobaltu.

Rupp a její kolegové také plánují provést nový výzkum, aby prozkoumali, jak urychlit rozsáhlý vývoj a implementaci SSB. V současné době se odhaduje, že návrh, vývoj a výroba SSB elektrolytů v laboratorním prostředí bude trvat v průměru více než 10 let. Snížení faktoru velikosti těchto součástí může vyžadovat další 5-10 roky. Tato dlouhá časová období zdůrazňují potřebu rychlejších technik zpracování.

V našem současném výzkumu zkoumáme a prezentujeme perspektivu rychlého třídění a rychlého automatizovaného zpracování keramických sloučenin a jejich chemických složek, abychom otestovali výkon a rychleji opakovali optimální výrobní cestu. To není tak jednoduché, jak si lidé představují, protože tradiční cesta zpracování pevných baterií v akademické sféře používá práškové nebo slinuté sloučeniny, které mají určitý stupeň složitosti pro rychlé prověřování a spouštění automatických cyklů. Doufáme, že podpoříme naši práci prostřednictvím konkrétních příkladů a analýz, protože tyto potenciální metody jsou vhodnější pro hledání nejlepších podmínek zpracování pro rychlé cyklování a automatizaci a pro navrhování a výrobu součástí a baterií pro budoucí polovodičové baterie.