Технология инфильтрации расплава, разработанная исследователями материаловедения из Технологического института Джорджии, использует материалы электролита, которые могут проникать в пористые, но плотно упакованные, термостойкие электроды.
Одностадийный процесс производит композиты высокой плотности на основе капиллярной инфильтрации расплавленного твердого электролита без давления в пористые тела, включая многослойные пакеты электрод-сепаратор.
«В то время как температура плавления традиционных твердотельных электролитов может колебаться от 700 градусов Цельсия до более 1000 градусов Цельсия, мы работаем в гораздо более низком диапазоне температур, в зависимости от состава электролита, примерно от 200 до 300 градусов Цельсия», – пояснил Глеб Юшин. профессор Школы материаловедения и инженерии Технологического института Джорджии. "При таких более низких температурах изготовление становится намного быстрее и проще. Материалы при низких температурах не реагируют.
Стандартные электродные узлы, включая полимерное связующее или клей, могут быть стабильными в этих условиях."
Новая технология, о которой будет сообщено 8 марта в журнале Nature Materials, может позволить сделать большие автомобильные литий-ионные аккумуляторы более безопасными с использованием 100% твердотельной негорючей керамики, а не жидких электролитов, используя те же производственные процессы, что и при производстве обычных батарей с жидким электролитом.
Запатентованная технология производства имитирует дешевое производство коммерческих литий-ионных элементов с жидкими электролитами, но вместо этого использует твердотельные электролиты с низкими температурами плавления, которые плавятся и проникают в плотные электроды. В результате можно быстро производить высококачественные многослойные элементы любого размера и формы с использованием проверенных инструментов и процессов, разработанных и оптимизированных за последние 30 лет для литий-ионных аккумуляторов.
«Технология инфильтрации расплава – ключевое достижение.
Срок службы и стабильность литий-ионных аккумуляторов сильно зависят от условий эксплуатации, особенно от температуры », – объяснил аспирант Технологического института Джорджии Иран Сяо. "Если батареи будут перегреваться в течение длительного периода, они обычно начинают преждевременно разлагаться, и перегретые батареи могут загореться. Это побудило почти все электромобили (EV) включать сложные и довольно дорогие системы охлаждения.«Напротив, твердотельные батареи могут потребовать только нагревателей, которые значительно дешевле, чем системы охлаждения.
Юшин и Сяо воодушевлены потенциалом этого производственного процесса, который позволит производителям аккумуляторов производить более легкие, безопасные и более энергоемкие аккумуляторы.
«Разработанная технология инфильтрации расплава совместима с широким спектром химического состава материалов, включая так называемые электроды конверсионного типа. Было продемонстрировано, что такие материалы увеличивают плотность энергии автомобильных элементов более чем на 20% в настоящее время и более чем на 100% в будущем », – сказал соавтор и научный сотрудник Georgia Tech Константин Турченюк, отметив, что элементы с более высокой плотностью обеспечивают более длительные пробеги. Для такого скачка производительности элементам требуются электроды большой емкости.
Технология Georgia Tech еще не готова к коммерческому использованию, но Юшин прогнозирует, что, если значительная часть будущего рынка электромобилей будет охватывать твердотельные батареи, «это, вероятно, будет единственным выходом», поскольку это позволит производителям использовать их существующее производство. объекты и инфраструктура.
«Вот почему мы сосредоточились на этом проекте – это была одна из наиболее коммерчески жизнеспособных областей инноваций для нашей лаборатории», – сказал он.
Цены на аккумуляторные батареи впервые в 2020 году достигли 100 долларов за киловатт-час. По словам Юшина, им нужно будет упасть ниже 70 долларов за киловатт-час, прежде чем рынок потребительских электромобилей сможет полностью открыться. Инновации в аккумуляторных батареях имеют решающее значение для происходящего.
Команда лаборатории материаловедения в настоящее время сосредоточена на разработке других электролитов, которые будут иметь более низкие температуры плавления и более высокую проводимость, используя тот же метод, проверенный в лаборатории.
Юшин считает, что производственный прогресс этой исследовательской группы откроет шлюзы для новых инноваций в этой области.
«Так много невероятно умных ученых сосредоточены на решении очень сложных научных проблем, полностью игнорируя экономическую и техническую практичность. Они изучают и оптимизируют высокотемпературные электролиты, которые не только значительно дороже для использования в элементах, но и в пять раз тяжелее жидких электролитов », – пояснил он. "Моя цель – подтолкнуть исследовательское сообщество к выходу за рамки этого химического ящика."