Літійні акумулятори твердого стану вважаються "кінцевою технологією акумулятора", але проблема імпедансу інтерфейсу між твердим електролітом та позитивними та негативними електродами завжди була вузьким місцем, що перешкоджає їх масовій виробництві. В останні роки вчені поступово подолали цю перешкоду за допомогою модифікації інтерфейсу, відповідності матеріалів та інноваційних процесів, що дозволяє твердотільним акумуляторним клітинам переходити з лабораторних даних до комерційного виробництва.
1 Корінь опору інтерфейсу: подвійні виклики фізики та хімії
Першопричина опору інтерфейсу полягає в "поганому контакті". Суцільні електроліти -це здебільшого жорстка кераміка (наприклад, LLZO), з фізичними зазорами між ними та гнучкими електродними матеріалами, що призводить до контактної площі лише 30% -50%, що перешкоджає шляху провідності іонів літію. Ще більш складним є питання хімічної сумісності. Коли сульфідні електроліти контактують з високими катодами з нікелю, виникають інтерфейсні реакції для генерування ізоляційних фаз, таких як Li ∝ po ₄, що спричиняє постійне збільшення опору під час циклу. Після 50 циклів інтерфейс опору певної сульфідної твердотільної акумуляторної клітини збільшується втричі, а розпад потужностей досягає 40%.
Вплив температури на імпеданс інтерфейсу є більш значним. Іонна провідність твердих електролітів чутлива до температури. При -20 градусів провідність керамічних електролітів LLZO зменшується з 10 ⁻⁴ с/см при кімнатній температурі до 10 ⁻⁶ с/см, тоді як імпеданс інтерфейсу збільшується більш ніж на 10 разів, внаслідок чого клітина майже не може працювати при низьких температурах.
2 Технологія модифікації інтерфейсу: побудова ефективних каналів провідності
Технологія градієнтного буфера ", розроблена командою Китайської академії наук, вводить композитний шар Li ∝ PO ₄ - Li ₂ CO ∝ між електролітом та позитивним електродом, який усуває фізичні прогалини та придушує бічні реакції, зменшуючи імпеданс інтерфейсу на 70% та збільшуючи вихідну електропровідність батареї до 1MS/CM. Японська компанія приймає технологію "осадження атомного шару", щоб осадити плівку товщиною 5 нм на поверхні електроліту, що посилює силу міжфазного зв’язку, як "молекулярний клей" і робить термін експлуатації циклу перевищувати 1000 разів.
Попереднє літіаційне лікування є ключем для вирішення задачі інтерфейсу негативного електрода. Попередня імплантація металевого літію на поверхню негативного електрода на основі кремнію утворює стабільний шар літієвого сплаву, який може уникнути прямої реакції між твердим електролітом та кремнієм. Негативний інтерфейс електрода інтерфейсу попередньо літірованої твердої акумуляторної комірки знижується на 60%, а перша ефективність розряду заряду збільшується з 75%до 92%.
3 Матеріали та інновації
Конструкція сумісності матеріалу однаково має вирішальне значення. Сульфідні тверді електроліти (такі як Li ₇ P ∝ S ₁₁) мають погану сумісність з високими катодами нікелю. Певне підприємство розробило "катод, багатий марганцем" (NI60% MN30% CO10%) для зменшення реакційної здатності сульфідами та збільшення терміну експлуатації циклу з 200 до 1000 циклів. Полімерні електроліти (наприклад, PEO) більш сумісні з літієвим фосфатом заліза, а твердотільні батареї в поєднанні з двома можуть підтримувати швидкість утримання потужностей 85% навіть після 1500 циклів при 60 градусах, що робить їх потенційним розчином у галузі зберігання енергії.
Технологічні інновації прискорюють процес масового виробництва. Традиційний процес "упаковки укладання" важко забезпечити тісний контакт між твердим електролітом та електродом. Нещодавно розроблена технологія "гарячого пресування" інтегрує три менше 150 градусів та тиск 10 мпА, з площею контакту інтерфейсу понад 95%. Суцільна виробнича лінія виробництва батареї певної компанії Car Company приймає цей процес, з єдиною ємністю 1GWH та зниженням витрат на 60% порівняно з лабораторною стадією, закладаючи основу для масштабного застосування в 2027 році.