Litijumske baterije od čvrstote države smatraju se "vrhunskom tehnologijom baterija", ali problem sa impedansom sučelja između čvrstog elektrolita i pozitivnih i negativnih elektroda uvijek je bio uska grla koja ometa njihovu masovnu proizvodnju. Posljednjih godina, naučnici su postepeno prevladavali ovu prepreku putem modifikacije sučelja, materijalno podudaranje i proces inovacije, omogućavajući da se baterije sa čvrstim stanjem prelaze iz laboratorijskih podataka u komercijalni probnu proizvodnju.
1 Korijen impedancije sučelja: Dvostruki izazovi fizike i hemije
Osnovni uzrok impedancije sučelja nalazi se u "lošm kontaktom". Čvrsti elektroliti su uglavnom kruta keramika (kao što su LLZO), s fizičkim prazninama između njih i fleksibilnih materijala elektrode, što rezultira kontaktnoj površini od samo 30% -50%, što ometa provodljiv put litijum-jona. Još je izazovnije pitanje kemijske kompatibilnosti. Kada se sulfidni elektroliti dolaze u kontakt sa visokim niklovim katodama, pojavljuju se reakcije sučelja kako bi se generirale izolacijske faze kao što su li α po ₄, uzrokujući da impedancija neprestano povećava tokom biciklizma. Nakon 50 ciklusa, impedancija sučelja određene sulfidne čvrste stanice se povećava trostruko, a propadanje kapaciteta dostiže 40%.
Uticaj temperature na impedansu sučelja je značajniji. Jonska provodljivost čvrstih elektrolita je temperatura osjetljiva na temperaturu. U -20 stepeni, provodljivost LLZO keramičkih elektrolita smanjuje se sa temperature u sobi od 10 ⁻⁴ na sobnoj temperaturi na 10 ⁻⁶ s / cm, dok se impedancija sučelja povećava za više od 10 puta, što rezultira da ćelija gotovo ne može raditi na niskim temperaturama.
2 Tehnologija modifikacije sučelja: Izgradnja efikasnih kanala iz provođenja
Tehnologija "gradijentnog tampora" koju je razvila Kineska akademija nauka tima uvodi LI ₂ co α kompozitni sloj između elektrolita i pozitivne elektrode, što se suzbijaju bočne reakcije, i povećava temperaturu sobne temperature do 1ms / cm, blizu nivoa tečnog elektrolita. Japanska kompanija prihvaća tehnologiju "Atomsko sloj" da bi položili 5nm debelog al ₂ o3 filma na površini elektrolita, što poboljšava međufacijalnu silu vezanja poput "molekularnog ljepila" i čini da će život za molekularnu ljepilo "i čine da se životni vijek prelazi 1000 puta.
Prethodno liječenje je ključ za rješavanje problema negativnog elektroda. Pre implantacija metalnog litijuma na površini negativne elektrode na bazi silikona čini stabilan sloj litijumske legure, koji može izbjeći direktnu reakciju između čvrstog elektrolita i silikona. Impedancija negativne elektrode sučelja pretovene čvrste baterije smanjuje se za 60%, a efikasnost pražnjenja prve punjenja povećana je sa 75% na 92%.
3 Materijalne podudaranje i inovacije procesa: ubrzanje masovne proizvodnje i implementacije
Dizajn kompatibilnosti materijala je podjednako ključan. Sulfidni čvrsti elektrolite (poput li ₇ p α s ₁₁) imaju lošu kompatibilnost sa visokim niklom katodama. Određeno preduzeće razvijeno je "mangan bogate katode" (NI60% MN30% CO10%) za smanjenje reaktivnosti sa sumpornim sulfidima i povećati život ciklusa od 200 do 1000 ciklusa. Polimerni elektroliti (poput PEO) kompatibilniji su sa litijumskim željeznim fosfatom, a čvrste stambene stanice u kombinaciji sa dva mogu održavati brzinu zadržavanja kapaciteta od 85% čak i nakon 1500 ciklusa u 60 stepeni, čineći im potencijalno rješenje u polju skladištenja energije.
Tehnološka inovacija ubrzava proces masovnog proizvodnje. Proces tradicionalnog "slaganja ambalaže" teško je osigurati bliski kontakt između čvrstog elektrolita i elektrode. Novo razvijena tehnologija "vruće prešanja" integrira tri ispod 150 stepeni i 10MPA pritiska, sa sučeljem za kontakt površine preko 95%. Linija probne predlog pretresa baterije određene stambene kompanije usvaja ovaj proces, sa jednim resornim kapacitetom 1GWh i smanjenja troškova od 60% u odnosu na laboratorijsku fazu, polaganje temelja za velikih primjene u 2027. godini.