Lítiové batérie v tuhom stave sa považujú za „konečnú technológiu batérie“, ale problém impedancie rozhrania medzi tuhým elektrolytom a pozitívnymi a negatívnymi elektródami bol vždy prekážkou, ktorá bránila ich hromadnej výrobe. V posledných rokoch vedci postupne prekonali túto prekážku prostredníctvom modifikácie rozhrania, porovnávania materiálov a inovácií v procese, čo umožňuje batériu v tuhom stave presunúť sa z laboratórnych údajov k komerčnej skúšobnej výrobe.
1 Koreň impedancie rozhrania: duálne výzvy fyziky a chémie
Základná príčina impedancie rozhrania spočíva v „slabom kontakte“. Pevné elektrolyty sú väčšinou tuhá keramika (napríklad LLZO), s fyzikálnymi medzerami medzi nimi a flexibilnými materiálmi elektród, čo vedie k kontaktnej ploche iba 30% -50%, ktorá brzdí vodivú cestu lítiových iónov. Ešte náročnejšia je otázka chemickej kompatibility. Keď sulfidové elektrolyty prídu do kontaktu s vysokými nikel katódami, vyskytujú sa reakcie rozhrania, aby sa vytvorili izolačné fázy, ako je li ∝ po ₄, čo spôsobuje, že impedancia sa počas cyklovania neustále zvyšuje. Po 50 cykloch sa impedancia rozhrania určitej sulfidovej pevnej batériovej bunky zvýši trojnásobne a kapacitný rozklad dosiahne 40%.
Vplyv teploty na impedanciu rozhrania je významnejší. Iónová vodivosť tuhých elektrolytov je citlivá na teplotu. Vodivosť keramických elektrolytov LLZO klesá z 10 ⁻⁴ s/cm pri teplote miestnosti na 10 ⁻⁶ s/cm, zatiaľ čo impedancia rozhrania sa zvyšuje o viac ako 10 -krát, čo vedie k tomu, že bunka je takmer nie schopná pracovať pri nízkych teplotách.
2 Technológia modifikácie rozhrania: Konštrukcia efektívnych kanálov vedenia
Technológia „Gradient Buffer Layer“ vyvinutá čínskou akadémiou tímu Sciences Tím predstavuje li ∝ po ₄ - li ₂ Co ∝ kompozitná vrstva medzi elektrolytom a pozitívnou elektródou, ktorá eliminuje fyzikálne medzery a potláča vedľajšie reakcie, pričom znižuje impedanciu rozhrania o 70% a zvyšuje vodivosť teploty miestnosti na 1M/CM, v blízkosti úrovne kvapalinového elektrolytu. Japonská spoločnosť prijíma technológiu „depozície atómovej vrstvy“ na uloženie filmu AL ₂ O3 s hmotnosťou 5nm na povrchu elektrolytu, ktorý zvyšuje medzifázovú väzbovú silu ako „molekulárne lepidlo“ a spôsobuje, že životnosť cyklu presahuje 1 000 -krát.
Pred litimačné ošetrenie je kľúčom k riešeniu problému s negatívnym rozhraním elektród. Predbežná implantácia kovového lítia na povrchu negatívnej elektródy na báze kremíka tvorí stabilnú vrstvu zliatiny lítia, ktorá sa môže vyhnúť priamej reakcii medzi tuhým elektrolytom a kremíkom. Negatívna impedancia elektródového rozhrania vopred litinovanej pevnej batérie sa zníži o 60%a prvá účinnosť výboja na náboj sa zvýši zo 75%na 92%.
3 porovnávanie materiálov a inovácie procesov: Zrýchlenie hromadnej výroby a implementácie
Dizajn kompatibility materiálu je rovnako rozhodujúci. Sulfidové tuhé elektrolyty (napríklad Li ₇ P ∝ S ₁₁) majú zlú kompatibilitu s vysokými nikelovými katódami. Určitá spoločnosť vyvinula „katódu bohatú na mangán“ (NI60% MN30% CO10%), aby sa znížila reaktivita sulfidmi a zvýšila životnosť cyklu z 200 až 1 000 cyklov. Polymérne elektrolyty (ako je PEO) sú kompatibilnejšie s fosforečnanom lítium železa a batériové bunky v tuhom stave kombinované s týmito dvoma môžu udržiavať rýchlosť retencie kapacity 85% aj po 1500 cykloch pri 60 stupňoch, čo z nich robí potenciálne riešenie v oblasti skladovania energie.
Technologická inovácia urýchľuje proces hromadnej výroby. Tradičný proces „stohovania balenia“ je ťažké zabezpečiť úzky kontakt medzi tuhým elektrolytom a elektródou. Novo vyvinutá technológia „Forming Folding“ integruje tlak tri do 150 stupňov a 10 MPA s kontaktnou plochou nad 95%. Výrobná línia skúšky batérií v tuhom stave určitej automobilovej spoločnosti prijíma tento proces s jednou riadkovou kapacitou 1GWH a znížením nákladov o 60% v porovnaní s laboratórnou fázou, ktorá v roku 2027 položila základ pre rozsiahlu aplikáciu.