Mae batris cyflwr solet wedi dod yn dechnoleg fwyaf addawol i ddisodli batris lithiwm. Mae MIT wedi crynhoi'r cynnydd diweddaraf mewn technoleg batri cyflwr solet

Mae batris cyflwr solet (SSBs) yn dechnoleg batri sy'n dod i'r amlwg gyda dwysedd ynni uchel a all gystadlu â batris lithiwm-ion (LIBs), sy'n darparu pŵer ar gyfer dyfeisiau electronig amrywiol yn y farchnad gyfredol. Yn wahanol i batris lithiwm-ion traddodiadol, mae gan fatris cyflwr solet electrolyt ceramig solet sy'n gwahanu'r anod a'r catod y tu mewn i'r batri. Mewn rhai batris, gall y dyluniad hwn ddefnyddio lithiwm fel yr anod.

Cyn y gellir masnacheiddio a chymhwyso batris cyflwr solet ar raddfa fawr, rhaid i ymchwilwyr nodi strategaethau cost-effeithiol i gynhyrchu eu cydrannau unigol a datblygu cynlluniau celloedd batri addawol. Mae ymchwilwyr o Sefydliad Technoleg Massachusetts (MIT) wedi ysgrifennu erthygl adolygu yn crynhoi'r datblygiadau diweddaraf yn y maes ac yn amlinellu strategaethau ar gyfer prosesu electrolytau solet a chysylltiadau cyfres electrolytau / catod, y gellir eu defnyddio ar gyfer dylunio SSB yn y dyfodol.

Oherwydd bod y rhan fwyaf o ymchwil flaenorol wedi canolbwyntio ar electrolytau solet gronynnog, mae'r gost cynhyrchu o 75% a amlinellir yn y rhagfynegiad cost presennol o SSB wedi'i oramcangyfrif yn fawr, gan eu bod yn seiliedig ar dechnoleg sintro clasurol tymheredd uchel ar gyfer prosesu electrolytau solet. Esboniodd un o'r ymchwilwyr sy'n cynnal yr astudiaeth hon, Moran Balaish, fod rhai rhagfynegiadau'n awgrymu, os mai cost yw'r ffactor penderfynu, mae cost SSB yn seiliedig ar electrolytau solet ocsid yn uchel a bron yn amhosibl cystadlu â LIB. Rydym yn darparu datrysiadau gweithgynhyrchu tymheredd isel sy'n effeithio ar gynulliad batri, ac yn awgrymu bod ymchwilwyr nid yn unig yn adrodd ac yn myfyrio ar ddiagram Li + trafnidiaeth Arrhenius clasurol a ffenestr sefydlogrwydd electrocemegol, ond hefyd yn myfyrio ar y 'gyllideb prosesu poeth' newydd.

Yn eu papur, mae Rupp a'i chydweithwyr yn pwysleisio bod digon o gyfleoedd bellach i gynhyrchu ffilmiau ceramig SSB electrolyte ar dymheredd isel, gydag ystod maint o 1-20um. Yn ogystal, maent hefyd yn cynnig y gall strategaethau presennol leihau cost cynhyrchu SSB trwy osgoi'r strategaeth cyd-danio ddrud o gynhyrchu catodau ac electrolytau.

Er enghraifft, os yw cyd sinteru tymheredd uchel yn cael ei osgoi wrth ddylunio a gweithgynhyrchu batris SSB ocsid, gellir defnyddio llai o cobalt i gynhyrchu deunyddiau catod, sy'n helpu i osgoi gwrthdaro adnoddau geopolitical yn y dyfodol, eglura Rupp.

Yn y dyfodol, efallai y bydd y strategaeth cyd sinteru amgen a drafodwyd gan Rupp a'i chydweithwyr yn effeithio ar gystadleurwydd batris cyflwr solet lithiwm ocsidiedig. Yn ogystal, gallant hefyd baratoi'r ffordd ar gyfer ymchwil pellach ar fatris solet tymheredd isel ar gyfer cerbydau trydan neu gynhyrchion electronig cludadwy.

Hyd yn hyn, mae'r rhan fwyaf o ymchwil labordy yn y byd academaidd wedi dewis cynhyrchu gronynnau sintered fel deunyddiau prawf a chydosod batris, gyda dim ond ychydig o grwpiau'n astudio atebion amgen, megis datblygu tapiau magnetig a ffilmiau tenau i addasu i weithrediad a dyluniad cystadleuol SSBs gyda electrolytau tenau a chadarn. Mae yna lawer o resymau hanesyddol yn ymwneud â datblygiad y maes hwn, fodd bynnag, ei anfantais yw bod sintering gronynnau yn rhy gryf, sy'n cyfyngu ar integreiddio catod lleihau cobalt. Nid yw ei ddimensiynau allanol yn ddelfrydol, ac mae cost y broses yn uchel, oherwydd bod mwy o'r deunyddiau catod hyn yn ansefydlog yn unig (trwy ddiagramau cam) mewn cyd-danio tymheredd uchel â chydrannau electrolytig.

Roedd y papur adolygu a ysgrifennwyd gan Rupp a'i chydweithwyr yn y pen draw yn cyfleu neges eithaf syml. Yn fwy penodol, mae'n pwysleisio manteision trosglwyddo i synthesis electrolytau SSB, gan wneud eu maint yn debyg i wahanwyr polymerau clasurol mewn LIBs. Yn ôl ymchwilwyr, mae trawsnewidiad o'r fath yn werthfawr ar gyfer gwella strwythur SSB a lleihau ei gost, tra hefyd yn darparu posibiliadau newydd ar gyfer integreiddio cathodau di-cobalt ar raddfa fwy.

Roeddem yn synnu i ddarganfod, er bod gan ddyluniadau SSB â gofynion technegol electrolytau tenau a chadarn, mae diffyg data o hyd yn y maes hwn sy'n dangos y rhan fwyaf o ddiagramau Arrhenius a ffenestri electrocemegol yn seiliedig ar ronynnau sintered maint milimetr. Juan Carlos Gonzalez Rosillo oedd un o'r awduron cyntaf.

Er bod sawl astudiaeth wedi amlygu potensial SSBs gyda thrwch cydrannau o ychydig ficromedrau yn unig, hyd yn hyn, ychydig o dimau sydd wedi cynnig strategaethau effeithiol ar gyfer cynhyrchu'r cydrannau hyn ar raddfa fawr. Yn eu papur, cynigiodd Rupp a’i chydweithwyr ddull a all gyflawni’r nod hwn yn y pen draw, yn seiliedig ar dystiolaeth ymchwil a gasglwyd dros yr ychydig flynyddoedd diwethaf.

Dyma rai o’r cwestiynau a godwyd gennym yn y papur: pa ddulliau sy’n addas ar gyfer datblygu’r cydrannau hyn, ac yn bwysig, sut y bydd y dulliau hyn yn effeithio ar y gyllideb prosesu thermol i leihau costau a darparu dewisiadau i osgoi cyd-sinter ar gyfer cydrannau catod/electrolyte? Ychwanegodd Rupp: Roedd ein hadolygiad yn ymdrech ostyngedig i ysbrydoli timau eraill i archwilio atebion amgen ar gyfer gweithgynhyrchu SSBs tenau a chadarn, yn ogystal ag electrolytau ar gyfer SSBs.

Mewn ymchwil yn y dyfodol, mae ymchwilwyr yn bwriadu canolbwyntio ar ddwy brif agwedd ar ddatblygiad SSB. Yn gyntaf, maent yn gobeithio amlinellu strategaethau amrywiol eraill y gellir eu defnyddio i brosesu catodau SSB ac electrolytau, heb ddibynnu ar brosesau cyd sinteru.

Esboniodd Rupp fod y rhain i gyd yn ddewisiadau heriol sy'n cymryd llawer mwy o amser na phrosesau sy'n seiliedig ar lwybrau powdr i ronynnau neu dâp clasurol, gan fod maes eang o baramedrau a'r protocol dwysáu gorau, tra nad yw cynnal stoichiometreg cyfansoddiad cemegol solet. mor syml â hynny. Fodd bynnag, os caiff yr heriau eu datrys, gall y rhain ddarparu dulliau gweithgynhyrchu amgen gwerthfawr, sef y garreg agoriadol tuag at integreiddio mwy o ddeunyddiau catod lleihau cobalt yn y tymor hir.

Mae Rupp a'i chydweithwyr hefyd yn bwriadu cynnal ymchwil newydd i archwilio sut i gyflymu datblygiad a gweithrediad SSB ar raddfa fawr. Ar hyn o bryd, amcangyfrifir y bydd dylunio, datblygu a gweithgynhyrchu electrolytau SSB mewn amgylchedd labordy yn cymryd mwy na 10 mlynedd ar gyfartaledd. Mae'n bosibl y bydd angen 5-10 o flynyddoedd ychwanegol i leihau ffactor maint y cydrannau hyn. Mae'r cyfnodau hir hyn o amser yn amlygu'r angen am dechnegau prosesu cyflymach.

Yn ein hymchwil gyfredol, rydym yn archwilio ac yn cyflwyno safbwynt sgrinio cyflym a phrosesu awtomataidd cyflym o gyfansoddion ceramig a'u cydrannau cemegol i brofi perfformiad ac ailadrodd y llwybr gweithgynhyrchu gorau posibl yn gyflymach. Nid yw hyn mor syml ag y mae pobl yn ei ddychmygu, gan fod y llwybr prosesu batri cyflwr solet traddodiadol yn y byd academaidd yn defnyddio powdr neu gyfansoddion sintered, sydd â rhywfaint o gymhlethdod ar gyfer sgrinio cyflym a rhedeg cylchoedd awtomataidd. Gobeithiwn gefnogi ein gwaith trwy enghreifftiau a dadansoddiadau penodol, gan fod y dulliau posibl hyn yn fwy addas ar gyfer ceisio'r amodau prosesu gorau ar gyfer beicio cyflym ac awtomeiddio, ac ar gyfer dylunio a gweithgynhyrchu cydrannau a batris ar gyfer batris cyflwr solet yn y dyfodol.