باتری های لیتیوم حالت جامد "فناوری نهایی باتری" محسوب می شوند ، اما مشکل امپدانس رابط بین الکترولیت جامد و الکترودهای مثبت و منفی همیشه تنگنا بوده است که مانع تولید انبوه آنها می شود. در سالهای اخیر ، دانشمندان به تدریج از طریق اصلاح رابط ، تطبیق مواد و نوآوری فرآیند بر این موانع غلبه کرده اند و سلولهای باتری حالت جامد را قادر می سازد تا از داده های آزمایشگاهی به تولید آزمایش تجاری منتقل شوند.
1 ریشه امپدانس رابط: چالش های دوگانه فیزیک و شیمی
علت اصلی امپدانس رابط در "تماس ضعیف" نهفته است. الکترولیتهای جامد عمدتا سرامیک های سفت و سخت (مانند LLZO) هستند ، با شکاف های فیزیکی بین آنها و مواد الکترود انعطاف پذیر ، و در نتیجه یک منطقه تماس تنها 30 ٪ -50 ٪ ، که مانع مسیر هدایت یون های لیتیوم می شود. مسئله سازگاری شیمیایی حتی چالش برانگیز تر است. هنگامی که الکترولیتهای سولفید با کاتدهای نیکل بالا در تماس هستند ، واکنش های رابط برای تولید مراحل عایق مانند Li ∝ po ₄ رخ می دهد و باعث افزایش امپدانس در طول دوچرخه سواری می شود. پس از 50 چرخه ، امپدانس رابط یک سلول باتری حالت جامد سولفید سه برابر افزایش می یابد و پوسیدگی ظرفیت به 40 ٪ می رسد.
تأثیر دما در امپدانس رابط مهمتر است. هدایت یونی الکترولیتهای جامد حساس به دما است. در درجه -20 درجه ، هدایت الکترولیتهای سرامیکی LLZO از 10 ⁻⁴ s/cm در دمای اتاق به 10 ⁻⁶ s/cm کاهش می یابد ، در حالی که امپدانس رابط بیش از 10 برابر افزایش می یابد و در نتیجه سلول تقریباً قادر به کار در دماهای پایین نیست.
2 فناوری اصلاح رابط: ساخت کانال های هدایت کارآمد
فناوری "لایه بافر شیب" که توسط تیم آکادمی علوم چینی ایجاد شده است ، لایه کامپوزیت بین الکترولیت و الکترود مثبت را معرفی می کند ، که باعث از بین بردن شکاف های فیزیکی می شود و واکنش های جانبی را سرکوب می کند ، کاهش مقاومت در برابر رابط توسط 70 ٪ و افزایش دمای اتاق از سطح باتری به 1MS/CM ، یک شرکت ژاپنی فناوری "رسوب لایه اتمی" را برای سپردن یک فیلم 5 نانومتری Al ₂ O3 بر روی سطح الکترولیت اتخاذ می کند ، که باعث افزایش نیروی پیوند بین سطحی مانند "چسب مولکولی" می شود و باعث می شود عمر چرخه از 1000 بار فراتر رود.
درمان قبل از لیتیشن کلید حل مشکل رابط الکترود منفی است. قبل از کاشت لیتیوم فلزی بر روی سطح الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون ، یک لایه آلیاژ لیتیوم پایدار تشکیل می دهد ، که می تواند از واکنش مستقیم بین الکترولیت جامد و سیلیکون جلوگیری کند. امپدانس رابط الکترود منفی یک سلول باتری جامد از قبل لیتاژنی 60 ٪ کاهش می یابد و اولین بازده تخلیه بار از 75 ٪ به 92 ٪ افزایش می یابد.
3 تطبیق مواد و نوآوری فرآیند: تسریع در تولید و اجرای انبوه
طراحی سازگاری مواد به همان اندازه بسیار مهم است. الکترولیتهای جامد سولفید (مانند Li ₇ P ∝ S ₁₁) سازگاری ضعیفی با کاتدهای نیکل بالا دارند. یک شرکت خاص برای کاهش واکنش با سولفیدها و افزایش عمر چرخه از 200 به 1000 چرخه ، "کاتد غنی از منگنز" (NI60 ٪ MN30 ٪ CO10 ٪) ایجاد کرده است. الکترولیت های پلیمری (مانند PEO) با فسفات آهن لیتیوم سازگار تر هستند و سلولهای باتری حالت جامد همراه با این دو می توانند حتی پس از 1500 چرخه در 60 درجه ، میزان احتباس ظرفیت 85 ٪ را حفظ کنند و آنها را به یک محلول بالقوه در زمینه ذخیره انرژی تبدیل کند.
نوآوری فن آوری روند تولید انبوه را تسریع می کند. فرآیند سنتی "بسته بندی انباشته" برای اطمینان از تماس نزدیک بین الکترولیت جامد و الکترود دشوار است. فناوری تازه توسعه یافته "قالب گیری فشار داغ" سه فشار زیر 150 درجه و 10 مگاپاسکال را با یک منطقه تماس رابط بیش از 95 ٪ ادغام می کند. خط تولید آزمایش سلول باتری حالت جامد از یک شرکت خاص خودرو این روند را اتخاذ می کند ، با ظرفیت واحد 1GWH و کاهش هزینه 60 ٪ در مقایسه با مرحله آزمایشگاهی ، پایه و اساس کاربردهای در مقیاس بزرگ را در سال 2027 قرار می دهد.