Tahkispatareidest on saanud liitiumakude asendamise kõige lootustandvam tehnoloogia. MIT tegi kokkuvõtte tahkis-aku tehnoloogia viimastest edusammudest

Tahkisakud (SSB) on arenev suure energiatihedusega akutehnoloogia, mis suudab konkureerida liitiumioonakudega (LIB), mis pakuvad praegusel turul toite erinevatele elektroonikaseadmetele. Erinevalt tavapärastest liitiumioonakudest on tahkisakudel tahke keraamiline elektrolüüt, mis eraldab aku sees oleva anoodi ja katoodi. Mõne aku puhul võib see konstruktsioon anoodina kasutada liitiumi.

Enne tahkispatareide turustamist ja laiaulatuslikku rakendamist peavad teadlased kindlaks määrama kulutõhusad strateegiad nende üksikute komponentide tootmiseks ja paljutõotavate akuelementide kujunduste väljatöötamiseks. Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi (MIT) teadlased on kirjutanud ülevaateartikli, milles on kokku võetud valdkonna uusimad arengud ja visandatud tahkete elektrolüütide ja elektrolüütide/katoodide seeriaühenduste töötlemise strateegiad, mida saab kasutada tulevase SSB projekteerimisel.

Tulenevalt asjaolust, et enamik varasemaid uuringuid on keskendunud granuleeritud tahketele elektrolüütidele, on SSB praeguses kuluennustuses välja toodud 75% tootmiskulud tugevalt ülehinnatud, kuna need põhinevad kõrge temperatuuriga klassikalisel paagutamistehnoloogial tahke elektrolüüdi töötlemiseks. Üks seda uuringut läbi viinud teadlastest Moran Balaish selgitas, et mõned ennustused viitavad sellele, et kui määravaks teguriks on hind, on tahketel oksiidelektrolüütidel põhineva SSB hind kõrge ja LIB-ga konkureerimine peaaegu võimatu. Pakume madala temperatuuriga tootmislahendusi, mis mõjutavad aku kokkupanemist, ja soovitame teadlastel mitte ainult aru anda ja mõelda klassikalise Arrheniuse transpordi Li + diagrammi ja elektrokeemilise stabiilsuse akna üle, vaid mõelda ka uuele "kuumtöötluse eelarvele".

Rupp ja tema kolleegid rõhutavad oma artiklis, et praegu on piisavalt võimalusi toota madalatel temperatuuridel keraamilisi SSB elektrolüütkilesid, mille suurusvahemik on 1-20um. Lisaks tegid nad ettepaneku, et olemasolevad strateegiad võivad vähendada SSB tootmiskulusid, vältides katoodide ja elektrolüütide tootmise kallist koospõletamise strateegiat.

Näiteks kui SSB oksiidpatareide projekteerimisel ja valmistamisel välditakse kõrgtemperatuurset koospaagutamist, saab katoodmaterjalide tootmiseks kasutada vähem koobaltit, mis aitab vältida tulevasi geopoliitilisi ressursikonflikte, selgitab Rupp.

Tulevikus võib Ruppi ja tema kolleegide arutatud alternatiivne koospaagutamise strateegia mõjutada oksüdeeritud liitiumipõhiste tahkispatareide konkurentsivõimet. Lisaks võivad need sillutada teed edasistele uuringutele elektrisõidukite või kaasaskantavate elektroonikatoodete madala temperatuuriga tahkete akude kohta.

Seni on enamik akadeemiliste ringkondade laboripõhiseid uuringuid valinud katsematerjalina paagutatud osakeste tootmise ja patareide kokkupanemise, kusjuures ainult mõned rühmad on uurinud alternatiivseid lahendusi, näiteks magnetlintide ja õhukeste kilede väljatöötamist, et kohaneda SSB-de rakendamise ja konkurentsivõimelise disainiga. õhukesed ja tugevad elektrolüüdid. Selle valdkonna arenguga on seotud palju ajaloolisi põhjusi, kuid selle puuduseks on osakeste liiga tugev paagutamine, mis piirab koobalti redutseerimiskatoodi integreerimist. Selle välismõõtmed ei ole ideaalsed ja protsessi maksumus on kõrge, kuna suurem osa neist katoodmaterjalidest on ainult kõrgel temperatuuril koos elektrolüütiliste komponentidega põletamisel ebastabiilsed (faasidiagrammide põhjal).

Ruppi ja tema kolleegide kirjutatud ülevaateartikkel edastas lõpuks üsna lihtsa sõnumi. Täpsemalt rõhutab see SSB elektrolüütide sünteesile ülemineku eeliseid, muutes nende suuruse sarnaseks klassikaliste polümeeride eraldajate omaga LIB-des. Teadlaste sõnul on selline transformatsioon väärtuslik SSB struktuuri parandamiseks ja selle maksumuse vähendamiseks, pakkudes samas uusi võimalusi mittekoobaltkatoodide integreerimiseks suuremas mastaabis.

Olime üllatunud, kui avastasime, et kuigi tehniliste nõuetega SSB-konstruktsioonidel on õhukesed ja vastupidavad elektrolüüdid, on selles valdkonnas endiselt vähe andmeid, mis näitavad enamikku Arrheniuse diagramme ja millimeetri suurustel paagutatud osakestel põhinevaid elektrokeemilisi aknaid. Juan Carlos Gonzalez Rosillo oli üks esimesi autoreid.

Kuigi mitmed uuringud on toonud esile SSB-de potentsiaali, mille komponentide paksus on vaid paar mikromeetrit, on seni vähesed meeskonnad välja pakkunud tõhusaid strateegiaid nende komponentide suuremahuliseks tootmiseks. Rupp ja tema kolleegid pakkusid oma artiklis välja meetodi, mis võib selle eesmärgi lõpuks saavutada, tuginedes viimastel aastatel kogutud uurimistulemustele.

Mõned küsimused, mille me artiklis tõstatasime, on järgmised: millised meetodid sobivad nende komponentide väljatöötamiseks, ja mis kõige tähtsam, kuidas need meetodid mõjutavad termilise töötlemise eelarvet, et vähendada kulusid ja pakkuda valikuid katoodi/elektrolüüdi komponentide koospaagutamise vältimiseks? Rupp lisas: Meie ülevaade oli tagasihoidlik pingutus, et inspireerida teisi meeskondi otsima alternatiivseid lahendusi õhukeste ja vastupidavate SSB-de ning ka SSB-de elektrolüütide valmistamiseks.

Edaspidistes uuringutes plaanivad teadlased keskenduda SSB arendamise kahele põhiaspektile. Esiteks loodavad nad visandada mitmesuguseid muid strateegiaid, mida saab kasutada SSB katoodide ja elektrolüütide töötlemiseks ilma kaaspaagutamisprotsessidele tuginemata.

Rupp selgitas, et need on kõik keerulised ja palju aeganõudvamad alternatiivid kui klassikalisel pulbrist osakesteks või lindiks põhinevad protsessid, kuna on olemas suur parameetrite valdkond ja parim tihendusprotokoll, samas kui tahke keemilise koostise stöhhiomeetria säilitamine ei ole vajalik. nii lihtne. Kui probleemid aga lahendatakse, võivad need pakkuda väärtuslikke alternatiivseid tootmismeetodeid, mis on avamise kivi koobalti redutseerivate katoodmaterjalide pikaajalise integreerimise suunas.

Rupp ja tema kolleegid kavatsevad läbi viia ka uusi uuringuid, et uurida, kuidas kiirendada SSB suuremahulist väljatöötamist ja rakendamist. Praegu võtab SSB elektrolüütide projekteerimine, arendamine ja tootmine laborikeskkonnas hinnanguliselt aega keskmiselt üle 10 aasta. Nende komponentide suurusteguri vähendamine võib nõuda veel 5-10 aastat. Need pikad ajaperioodid rõhutavad vajadust kiiremate töötlemismeetodite järele.

Praeguses uurimistöös uurime ja esitame keraamiliste ühendite ja nende keemiliste komponentide kiire sõelumise ja kiire automatiseeritud töötlemise perspektiivi, et testida jõudlust ja itereerida optimaalset tootmisviisi kiiremini. See ei ole nii lihtne, kui inimesed ette kujutavad, kuna akadeemiliste ringkondade traditsioonilisel tahkispatareide töötlemisel kasutatakse pulbrit või paagutatud ühendeid, mis on kiireks sõelumiseks ja automatiseeritud tsüklite käivitamiseks teatud keerukusastmega. Loodame oma tööd toetada konkreetsete näidete ja analüüsidega, kuna need potentsiaalsed meetodid sobivad paremini kiireks rattasõiduks ja automatiseerimiseks parimate töötlemistingimuste otsimiseks ning tulevaste tahkisakude komponentide ja akude projekteerimiseks ja tootmiseks.