鉅大LARGE | 點擊量：534次 | 2023年11月06日
固態(tài)電池成為最有望替代鋰電池的技術(shù) MIT總結(jié)了固態(tài)電池技術(shù)最新進展
固態(tài)電池(SSBs)是一種新興的電池技術(shù)，具有高能量密度，可與鋰離子電池(LIBs)競爭，后者為目前市場上的各種電子設備提供動力。與傳統(tǒng)的鋰離子電池不同，固態(tài)電池有一個固體的陶瓷電解質(zhì)，將電池內(nèi)的陽極和陰極分開。在某些電池中，這種設計可以使用鋰作為陽極。
在固態(tài)電池實現(xiàn)商業(yè)化和大規(guī)模應用之前，研究人員必須確定具有成本效益的策略來生產(chǎn)其單個組件，并開發(fā)有前景的電池單元設計。麻省理工學院(MIT)的研究人員撰寫了一篇評論文章，總結(jié)了該領(lǐng)域的最新進展，概述了加工固體電解質(zhì)和電解質(zhì)/陰極串聯(lián)的策略，這些策略可用于未來的SSB設計。
由于過去的大多數(shù)研究都集中在顆粒型固體電解質(zhì)上，目前SSB的成本預測所概述的75%的生產(chǎn)成本被大大高估了，因為它們是基于高溫經(jīng)典燒結(jié)技術(shù)的固體電解質(zhì)加工。進行這項研究的研究人員之一MoranBalaish解釋道：因此，一些預測認為，如果成本是決定性因素，基于氧化物固體電解質(zhì)的SSB成本很高，幾乎無法與LIB競爭。我們提供了影響電池組裝的低溫制造方案，建議研究人員不僅對經(jīng)典的Arrhenius傳輸Li+圖和電化學穩(wěn)定性窗口進行報告和反思，而且對新的'熱加工預算'進行反思。
在他們的論文中，Rupp和她的同事們強調(diào)，現(xiàn)在有足夠的機會在低溫下制造陶瓷SSB電解質(zhì)薄膜，尺寸范圍為1-20um。此外，他們還提出，現(xiàn)有的策略可以通過避免生產(chǎn)陰極和電解質(zhì)的昂貴的共燒策略來降低SSB生產(chǎn)成本。
例如，如果在SSB氧化物電池的設計和制造中避免高溫共燒結(jié)，就可以使用更少的鈷來生產(chǎn)陰極材料，這有助于避免未來的地緣-社會-政治資源沖突，Rupp解釋說。
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在未來，Rupp和她的同事所討論的替代性共燒結(jié)策略可能會影響氧化型鋰基固態(tài)電池的競爭力。此外，他們還可以為進一步專注于電動汽車或便攜式電子產(chǎn)品的低溫固體電池的研究鋪平道路。
到目前為止，學術(shù)界大多數(shù)基于實驗室的研究都選擇制造燒結(jié)顆粒作為測試材料和組裝電池的方式，只有少數(shù)小組在研究替代方案，例如開發(fā)磁帶和薄膜，以適應具有薄而堅固的電解質(zhì)的SSB的現(xiàn)實和競爭設計。這有許多與該領(lǐng)域如何發(fā)展相關(guān)的歷史原因，然而，它的不利之處在于，燒結(jié)成顆粒太強烈地限制了所述鈷還原陰極的集成，其外形尺寸不理想，工藝成本高，因為更多的這些陰極材料在與電解質(zhì)組分的高溫共燒中只是(通過相圖)不穩(wěn)定。
Rupp和她的同事撰寫的評論論文最終傳達了一個相當簡單的信息。更具體地說，它強調(diào)了過渡到合成SSB電解質(zhì)的好處，使其尺寸與LIBs中經(jīng)典聚合物分離器的尺寸相似。根據(jù)研究人員的說法，這樣的轉(zhuǎn)型對于改善SSB的結(jié)構(gòu)和降低其成本都很有價值，同時也為在更大范圍內(nèi)集成非鈷制的陰極提供了新的可能性。
令我們感到驚訝的是，即使有技術(shù)需求的SSB設計具有薄而堅固的電解質(zhì)，但在該領(lǐng)域仍然缺乏顯示大多數(shù)Arrhenius圖和電化學窗口基于毫米大小的燒結(jié)顆粒的數(shù)據(jù)，JuanCarlosGonzalez-Rosillo是第一作者之一。
雖然有幾項研究強調(diào)了SSBs的潛力，其組件厚度只有幾微米，但到目前為止，很少有團隊提出了大規(guī)模生產(chǎn)這些組件的有效策略。在他們的論文中，Rupp和她的同事提出了最終可以實現(xiàn)這一目標的方法，他們的假設基于過去幾年收集的研究證據(jù)。
我們在論文中提出的一些問題是：什么方法適合開發(fā)這些組件，重要的是，這些方法將如何影響熱加工預算以降低成本，并為陰極/電解質(zhì)組件提供避免共燒結(jié)的選擇？Rupp補充道：我們的回顧是一種謙虛的努力，以激勵其他團隊探索替代制造薄型和堅固的SSB以及SSB的電解質(zhì)的方案。。
在未來的研究中，研究人員計劃關(guān)注SSB開發(fā)的兩個主要方面。首先，他們希望勾勒出其他各種策略，這些策略可以用來加工SSB的陰極和電解質(zhì)，而不依賴于共燒結(jié)工藝。
Rupp解釋說：這些都是具有挑戰(zhàn)性的，而且遠比基于經(jīng)典粉末到顆粒或膠帶路線的工藝更耗時的替代方案，因為有一個巨大的參數(shù)領(lǐng)域和最佳的致密化協(xié)議，同時保持固體化學成分的化學計量學并不那么簡單，然而，如果挑戰(zhàn)得到解決，這些可以提供有價值的替代制造方式，這是朝向長期整合更多鈷還原陰極材料的開門紅。
Rupp和她的同事們還計劃開展新的研究，探索如何加快SSB的大規(guī)模開發(fā)和實施。目前，在實驗室環(huán)境下設計、開發(fā)和制造SSB電解質(zhì)估計平均需要10年以上。減少這些組件的尺寸因素可能需要額外的5-10年。這些時間過長，凸顯了對更快加工技術(shù)的需求。
在我們目前的研究中，我們探索并給出了陶瓷化合物及其化學成分的快速篩選和快速自動化加工的觀點，以測試性能并更快地迭代最佳制造路線，這并不像人們想象的那樣簡單，因為學術(shù)界傳統(tǒng)的固態(tài)電池加工路線通過粉末或燒結(jié)化合物，對于快速篩選和運行自動化循環(huán)有一定的復雜性。我們希望通過具體的例子和分析來支持我們的工作，這些潛在的方法更適合做快速循環(huán)和自動化的尋求最佳的加工條件，為未來的固態(tài)電池設計制造組件和電池。
