Lithiové baterie v pevném stavu jsou považovány za „technologii konečné baterie“, ale problém s impedancí rozhraní mezi pevným elektrolytem a pozitivními a negativními elektrodami byl vždy překážkou, která brání jejich hmotnostní produkci. V posledních letech vědci postupně překonávají tuto překážku prostřednictvím úpravy rozhraní, porovnávání materiálu a inovace procesů, což umožňuje bateriovým článkům v pevném stavu přesunout z laboratorních dat k produkci komerčních pokusů.
1 Kořen impedance rozhraní: Duální výzvy fyziky a chemie
Kořenová příčina impedance rozhraní spočívá v „špatném kontaktu“. Pevné elektrolyty jsou většinou rigidní keramika (jako je LLZO), s fyzickými mezerami mezi nimi a flexibilními materiály elektrod, což vede k kontaktní ploše pouze 30% -50%, což brání vodivé cestě lithiových iontů. Ještě náročnější je otázka chemické kompatibility. Když sulfidové elektrolyty přicházejí do kontaktu s katodami s vysokým niklem, dochází k reakcím rozhraní, aby se vytvořily izolační fáze, jako je Li ∝ Po ₄, což způsobuje, že se impedance neustále zvyšuje během cyklování. Po 50 cyklech se rozhraní impedance určité baterie s pevným stavem sulfidu zvyšuje trojnásobně a rozpad kapacity dosahuje 40%.
Vliv teploty na impedanci rozhraní je významnější. Iontová vodivost pevných elektrolytů je citlivá na teplotu. Při -20 stupňů se vodivost keramických elektrolytů LLZO snižuje z 10 ⁻⁴ S/cm při teplotě místnosti na 10 ⁻⁶ S/cm, zatímco impedance rozhraní se zvyšuje více než 10krát, což má za následek, že buňka téměř nedokáže pracovat při nízkých teplotách.
2 Technologie úpravy rozhraní: Konstrukce efektivních vedení kanálů
Technologie „gradientní pufrové vrstvy“ vyvinuté týmem Čínské akademie věd představuje li ∝ po ₄ - li ₂ co ∝ kompozitní vrstva mezi elektrolytem a pozitivní elektrodou, která eliminuje fyzikální mezery a potlačuje boční reakce, přibližuje se na úrovni teplotních buněk na 1MS/CM, přibližně na úrovni likvidové elektřiny. Japonská společnost přijímá technologii „depozice atomové vrstvy“ pro uložení filmu AL ₂ O3 5nm na povrch elektrolytu, což zvyšuje rozhraní sílu vazby jako „molekulární lepidlo“ a způsobuje, že životnost cyklu přesahuje 1000krát.
Ošetření před lithiací je klíčem k řešení problému negativního elektrodového rozhraní. Předem implantace kovového lithia na povrchu negativní elektrody na bázi křemíku tvoří stabilní vrstvu slitiny lithium, která se může vyhnout přímé reakci mezi pevným elektrolytem a křemíkem. Impedance negativního elektrodového rozhraní předem lithiované pevné baterie je snížena o 60%a první účinnost vypouštění náboje se zvýší ze 75%na 92%.
3 Porovnávání materiálu a inovace procesů: Zrychlení hromadné výroby a implementace
Design kompatibility materiálu je stejně zásadní. Sulfidové pevné elektrolyty (jako je Li ₇ P ∝ S ₁₁) mají špatnou kompatibilitu s katodami s vysokým niklem. Určitý podnik vyvinul „katodu bohaté na mangany“ (ni60% MN30% CO10%), aby se snížila reaktivita se sulfidy a prodloužila životnost cyklu z 200 na 1000 cyklů. Polymerní elektrolyty (jako je PEO) jsou kompatibilní s lithiovým železným fosfátem a bateriové články s pevným státem kombinované s těmito dvěma mohou udržovat míru zadržování kapacity 85% i po 1500 cyklech při 60 stupních, což z nich činí potenciální řešení v oblasti skladování energie.
Technologické inovace urychluje proces hromadné výroby. Tradiční proces „stohování balení“ je obtížné zajistit úzký kontakt mezi pevným elektrolytem a elektrodou. Nově vyvinutá technologie „horké lisování“ integruje tři pod 150 stupňů a tlak 10MPA s kontaktní oblastí rozhraní přes 95%. Tímto procesem přijímá výrobní linka pro pevný statek pro výrobní linii bateriových článků určité automobilové společnosti s kapacitou 1GWH s jednou linií a snížením nákladů o 60% ve srovnání s laboratorní fází, přičemž v roce 2027 stanoví základ pro rozsáhlé aplikaci.