Qattiq holatdagi batareyalar lityum batareyalarni almashtirishning eng istiqbolli texnologiyasiga aylandi. MIT qattiq holatdagi batareyalar texnologiyasidagi so'nggi yutuqlarni sarhisob qildi

Qattiq holatdagi akkumulyatorlar (SSB) yuqori energiya zichligiga ega bo'lgan yangi rivojlanayotgan akkumulyator texnologiyasi bo'lib, u joriy bozorda turli elektron qurilmalar uchun quvvatni ta'minlovchi litiy-ionli batareyalar (LIB) bilan raqobatlasha oladi. An'anaviy lityum-ion batareyalardan farqli o'laroq, qattiq holatdagi batareyalar batareya ichidagi anod va katodni ajratib turadigan qattiq keramik elektrolitga ega. Ba'zi batareyalarda bu dizayn anod sifatida lityumdan foydalanishi mumkin.

Qattiq holatdagi akkumulyatorlarni tijoratlashtirish va keng miqyosda qo'llashdan oldin, tadqiqotchilar ularning alohida komponentlarini ishlab chiqarish uchun tejamkor strategiyalarni aniqlashlari va batareya xujayralarining istiqbolli dizaynlarini ishlab chiqishlari kerak. Massachusets Texnologiya Instituti (MIT) tadqiqotchilari ushbu sohadagi so'nggi ishlanmalarni jamlagan va kelajakda SSB dizayni uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan qattiq elektrolitlar va elektrolitlar / katod seriyali ulanishlarni qayta ishlash strategiyalarini tavsiflovchi sharh maqolasini yozdilar.

Avvalgi tadqiqotlarning aksariyati granulali qattiq elektrolitlarga qaratilganligi sababli, SSB ning joriy xarajatlarini bashorat qilishda ko'rsatilgan 75% ishlab chiqarish qiymati juda yuqori baholanadi, chunki ular qattiq elektrolitlarni qayta ishlash uchun yuqori haroratli klassik sinterlash texnologiyasiga asoslangan. Ushbu tadqiqotni olib borgan tadqiqotchilardan biri Moran Balaish, ba'zi bashoratlarga ko'ra, agar narx hal qiluvchi omil bo'lsa, oksidli qattiq elektrolitlarga asoslangan SSB narxi yuqori va LIB bilan raqobatlash deyarli mumkin emasligini ko'rsatadi. Biz batareyalar yig'ilishiga ta'sir qiluvchi past haroratli ishlab chiqarish echimlarini taqdim etamiz va tadqiqotchilarga nafaqat klassik Arrhenius transport Li + diagrammasi va elektrokimyoviy barqarorlik oynasi haqida hisobot berish va fikr yuritish, balki yangi "issiq ishlov berish byudjeti" haqida ham fikr yuritishlarini taklif qilamiz.

Rupp va uning hamkasblari oʻz maqolalarida, hozirda past haroratlarda, 1-20um oʻlchamli keramik SSB elektrolit plyonkalarini ishlab chiqarish uchun yetarli imkoniyatlar mavjudligini taʼkidlaydilar. Bundan tashqari, ular, shuningdek, mavjud strategiyalar katodlar va elektrolitlar ishlab chiqarishning qimmat hamkorlik strategiyasidan qochish orqali SSB ishlab chiqarish tannarxini kamaytirishi mumkinligini taklif qildilar.

Masalan, agar SSB oksidi batareyalarini loyihalash va ishlab chiqarishda yuqori haroratli sinterlashdan saqlansa, katod materiallarini ishlab chiqarish uchun kamroq kobalt ishlatilishi mumkin, bu esa kelajakdagi geosiyosiy resurs mojarolarini oldini olishga yordam beradi, deb tushuntiradi Rupp.

Kelajakda Rupp va uning hamkasblari tomonidan muhokama qilingan muqobil birgalikda sinterlash strategiyasi oksidlangan lityum asosidagi qattiq holatdagi batareyalarning raqobatbardoshligiga ta'sir qilishi mumkin. Bundan tashqari, ular elektr transport vositalari yoki portativ elektron mahsulotlar uchun past haroratli qattiq batareyalar bo'yicha keyingi tadqiqotlar uchun yo'l ochishi mumkin.

Hozirgacha akademiyadagi ko'pgina laboratoriya tadqiqotlari sinterlangan zarrachalarni sinov materiallari sifatida ishlab chiqarishni va batareyalarni yig'ishni tanladi, faqat bir nechta guruhlar SSB'larni amalga oshirish va raqobatbardosh dizayniga moslashish uchun magnit lentalar va yupqa plyonkalarni ishlab chiqish kabi muqobil echimlarni o'rganmoqda. nozik va mustahkam elektrolitlar. Ushbu sohaning rivojlanishi bilan bog'liq ko'plab tarixiy sabablar mavjud, ammo uning kamchiligi shundaki, zarrachalarning sinterlanishi juda kuchli, bu kobaltni kamaytirish katodining integratsiyasini cheklaydi. Uning tashqi o'lchamlari ideal emas va jarayonning narxi yuqori, chunki bu katod materiallarining aksariyati elektrolitik komponentlar bilan yuqori haroratli yonishda faqat beqaror (fazali diagrammalar orqali).

Rupp va uning hamkasblari tomonidan yozilgan sharh qog'ozi oxir-oqibat juda oddiy xabarni etkazdi. Aniqroq aytganda, u SSB elektrolitlari sinteziga o'tishning afzalliklarini ta'kidlaydi, bu ularning o'lchamlarini LIBdagi klassik polimer separatorlariga o'xshash qiladi. Tadqiqotchilarning fikriga ko'ra, bunday transformatsiya SSB strukturasini yaxshilash va uning narxini pasaytirish uchun qimmatlidir, shu bilan birga kobalt bo'lmagan katodlarni kengroq miqyosda integratsiya qilish uchun yangi imkoniyatlarni taqdim etadi.

Texnik talablarga ega SSB dizaynlari nozik va mustahkam elektrolitlarga ega bo'lsa ham, bu sohada ko'pchilik Arrhenius diagrammalari va millimetr o'lchamli sinterlangan zarrachalarga asoslangan elektrokimyoviy oynalarni ko'rsatadigan ma'lumotlarning etishmasligi bizni hayratda qoldirdi. Xuan Karlos Gonsales Rosillo birinchi mualliflardan biri edi.

Garchi bir nechta tadqiqotlar tarkibiy qismlari qalinligi bir necha mikrometrga teng bo'lgan SSB potentsialini ta'kidlagan bo'lsa-da, hozirgacha bir nechta jamoalar ushbu komponentlarni keng miqyosda ishlab chiqarish uchun samarali strategiyalarni taklif qilishdi. Rupp va uning hamkasblari o'z maqolalarida so'nggi bir necha yil davomida to'plangan tadqiqot dalillariga asoslanib, oxir-oqibatda ushbu maqsadga erisha oladigan usulni taklif qilishdi.

Maqolada biz ko'targan savollardan ba'zilari: ushbu komponentlarni ishlab chiqish uchun qanday usullar mos keladi va eng muhimi, bu usullar xarajatlarni kamaytirish va katod/elektrolit komponentlarini birgalikda sinterlashdan qochish uchun tanlovlarni ta'minlash uchun termal ishlov berish byudjetiga qanday ta'sir qiladi? Rupp qo'shimcha qildi: Bizning sharhimiz boshqa jamoalarni yupqa va mustahkam SSB ishlab chiqarish, shuningdek, SSB uchun elektrolitlar ishlab chiqarish uchun muqobil echimlarni o'rganishga ilhomlantirish uchun kamtarona harakat edi.

Kelgusi tadqiqotlarda tadqiqotchilar SSB rivojlanishining ikkita asosiy jihatiga e'tibor qaratishni rejalashtirmoqda. Birinchidan, ular birgalikda sinterlash jarayonlariga tayanmasdan SSB katodlari va elektrolitlarini qayta ishlash uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan boshqa strategiyalarni belgilashga umid qilmoqdalar.

Ruppning ta'kidlashicha, bularning barchasi klassik kukundan zarrachalar yoki lenta yo'nalishlariga asoslangan jarayonlarga qaraganda ancha qiyin va ko'proq vaqt talab qiladigan alternativalardir, chunki parametrlarning keng maydoni va eng yaxshi zichlashtirish protokoli mavjud, shu bilan birga qattiq kimyoviy tarkibning stoxiometriyasini saqlab qolish mumkin emas. shunday oddiy. Biroq, agar muammolar hal etilsa, ular qimmatli muqobil ishlab chiqarish usullarini taqdim etishi mumkin, bu kobaltni kamaytiradigan katodli materiallarning uzoq muddatli integratsiyasi yo'lida ochiladigan toshdir.

Rupp va uning hamkasblari, shuningdek, SSB ning keng ko'lamli rivojlanishi va joriy etilishini qanday tezlashtirishni o'rganish uchun yangi tadqiqotlar o'tkazishni rejalashtirmoqda. Hozirgi vaqtda laboratoriya sharoitida SSB elektrolitlarini loyihalash, ishlab chiqish va ishlab chiqarish o'rtacha 10 yildan ortiq davom etishi taxmin qilinmoqda. Ushbu komponentlarning oʻlcham faktorini kamaytirish qoʻshimcha 5-10 yil talab qilishi mumkin. Ushbu uzoq vaqtlar tezroq ishlov berish texnikasiga bo'lgan ehtiyojni ta'kidlaydi.

Hozirgi tadqiqotimizda biz seramika aralashmalari va ularning kimyoviy tarkibiy qismlarini tezkor skrining va tezkor avtomatlashtirilgan qayta ishlash istiqbollarini o'rganamiz va taqdim etamiz, bu samaradorlikni sinab ko'rish va optimal ishlab chiqarish yo'lini tezroq takrorlash uchun. Bu odamlar tasavvur qilganidek oddiy emas, chunki akademiyadagi an'anaviy qattiq holatda batareyani qayta ishlash marshruti kukun yoki sinterlangan birikmalardan foydalanadi, bu esa tezkor skrining va avtomatlashtirilgan tsikllarni ishga tushirish uchun ma'lum darajada murakkablikka ega. Biz ishimizni aniq misollar va tahlillar orqali qo'llab-quvvatlashga umid qilamiz, chunki bu potentsial usullar tez aylanish va avtomatlashtirish uchun eng yaxshi ishlov berish sharoitlarini izlash hamda kelajakdagi qattiq holatdagi batareyalar uchun komponentlar va batareyalarni loyihalash va ishlab chiqarish uchun ko'proq mos keladi.