Baterie półprzewodnikowe stały się najbardziej obiecującą technologią zastępującą baterie litowe. MIT podsumował najnowszy postęp w technologii akumulatorów półprzewodnikowych

Baterie półprzewodnikowe (SSB) to nowa technologia akumulatorów o dużej gęstości energii, która może konkurować z akumulatorami litowo-jonowymi (LIB), które zapewniają zasilanie różnych urządzeń elektronicznych dostępnych na obecnym rynku. W przeciwieństwie do tradycyjnych akumulatorów litowo-jonowych, akumulatory półprzewodnikowe mają stały elektrolit ceramiczny, który oddziela anodę i katodę wewnątrz akumulatora. W niektórych bateriach w tej konstrukcji można zastosować lit jako anodę.

Zanim akumulatory półprzewodnikowe będą mogły zostać skomercjalizowane i zastosowane na dużą skalę, badacze muszą określić opłacalne strategie produkcji poszczególnych komponentów i opracować obiecujące projekty ogniw akumulatorowych. Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) napisali artykuł przeglądowy podsumowujący najnowsze osiągnięcia w tej dziedzinie i przedstawiający strategie przetwarzania elektrolitów stałych oraz połączeń szeregowych elektrolit/katoda, które można wykorzystać w przyszłym projektowaniu SSB.

Ze względu na fakt, że większość wcześniejszych badań koncentrowała się na granulowanych elektrolitach stałych, 75% koszt produkcji przedstawiony w aktualnej prognozie kosztów SSB jest znacznie zawyżony, ponieważ opierają się one na klasycznej technologii spiekania w wysokiej temperaturze do przetwarzania stałego elektrolitu. Jeden z badaczy prowadzących to badanie, Moran Balaish, wyjaśnił, że niektóre przewidywania sugerują, że jeśli czynnikiem decydującym jest koszt, koszt SSB oparty na elektrolitach stałych tlenkowych jest wysoki i prawie niemożliwy do konkurowania z LIB. Zapewniamy rozwiązania produkcyjne w niskich temperaturach, które wpływają na montaż baterii, i sugerujemy, aby badacze nie tylko raportowali i zastanawiali się nad klasycznym diagramem Li+ transportu Arrheniusa i oknem stabilności elektrochemicznej, ale także zastanowili się nad nowym „budżetem przetwarzania na gorąco”.

W swoim artykule Rupp i jej współpracownicy podkreślają, że obecnie istnieją wystarczające możliwości wytwarzania ceramicznych warstw elektrolitów SSB w niskich temperaturach w zakresie wielkości wynoszącym 1-20um. Ponadto zaproponowali również, że istniejące strategie mogą obniżyć koszty produkcji SSB poprzez uniknięcie kosztownej strategii współspalania polegającej na produkcji katod i elektrolitów.

Na przykład, jeśli podczas projektowania i produkcji akumulatorów tlenkowych SSB uniknie się współspiekania w wysokiej temperaturze, do produkcji materiałów katodowych można zastosować mniej kobaltu, co pomaga uniknąć przyszłych konfliktów o zasoby geopolityczne, wyjaśnia Rupp.

W przyszłości alternatywna strategia współspiekania omówiona przez Rupp i jej współpracowników może wpłynąć na konkurencyjność akumulatorów półprzewodnikowych na bazie utlenionego litu. Ponadto mogą również utorować drogę do dalszych badań nad niskotemperaturowymi akumulatorami stałymi do pojazdów elektrycznych lub przenośnych produktów elektronicznych.

Jak dotąd większość badań laboratoryjnych w środowisku akademickim zdecydowała się na produkcję spiekanych cząstek jako materiałów testowych i montaż akumulatorów, przy czym tylko kilka grup bada alternatywne rozwiązania, takie jak opracowywanie taśm magnetycznych i cienkich folii w celu dostosowania do wdrażania i konkurencyjnego projektowania SSB z cienkie i mocne elektrolity. Z rozwojem tej dziedziny wiąże się wiele historycznych przyczyn, jednakże jej wadą jest zbyt silne spiekanie cząstek, co ogranicza integrację katody redukcyjnej kobaltu. Jego wymiary zewnętrzne nie są idealne, a koszt procesu jest wysoki, ponieważ większość tych materiałów katodowych jest niestabilna (poprzez diagramy fazowe) jedynie przy współspalaniu w wysokiej temperaturze ze składnikami elektrolitycznymi.

Artykuł poglądowy napisany przez Rupp i jej współpracowników ostatecznie przekazał dość proste przesłanie. Mówiąc dokładniej, podkreśla korzyści płynące z przejścia na syntezę elektrolitów SSB, upodabniając ich wielkość do klasycznych separatorów polimerowych w LIB. Zdaniem badaczy taka transformacja jest cenna dla ulepszenia struktury SSB i obniżenia jego kosztu, a jednocześnie zapewnia nowe możliwości integracji katod niekobaltowych na większą skalę.

Zaskoczyło nas, że chociaż konstrukcje SSB posiadające wymagania techniczne zawierają cienkie i wytrzymałe elektrolity, nadal brakuje danych w tej dziedzinie, które przedstawiałyby większość diagramów Arrheniusa i okien elektrochemicznych opartych na spiekanych cząstkach o wielkości milimetrów. Juan Carlos Gonzalez Rosillo był jednym z pierwszych autorów.

Chociaż w kilku badaniach podkreślono potencjał SSB przy grubości komponentów zaledwie kilku mikrometrów, jak dotąd niewiele zespołów zaproponowało skuteczne strategie produkcji tych komponentów na dużą skalę. W swoim artykule Rupp i jej współpracownicy zaproponowali metodę, która ostatecznie może osiągnąć ten cel, w oparciu o dowody badawcze zebrane w ciągu ostatnich kilku lat.

Niektóre z pytań, które postawiliśmy w artykule, to: jakie metody są odpowiednie do opracowywania tych komponentów i, co ważne, w jaki sposób metody te wpłyną na budżet obróbki termicznej, aby obniżyć koszty i zapewnić możliwości uniknięcia współspiekania komponentów katoda/elektrolit? Rupp dodał: Nasza recenzja była skromną próbą zainspirowania innych zespołów do poszukiwania alternatywnych rozwiązań w zakresie produkcji cienkich i wytrzymałych dysków SSB, a także elektrolitów do dysków SSB.

W przyszłych badaniach badacze planują skoncentrować się na dwóch głównych aspektach rozwoju SSB. Po pierwsze, mają nadzieję przedstawić różne inne strategie, które można zastosować do przetwarzania katod i elektrolitów SSB bez polegania na procesach współspiekania.

Rupp wyjaśnił, że są to wszystkie trudne i znacznie bardziej czasochłonne alternatywy niż procesy oparte na klasycznej drodze z proszku do cząstek lub taśmy, ponieważ istnieje szeroki zakres parametrów i najlepszy protokół zagęszczania, a utrzymanie stechiometrii składu chemicznego ciała stałego nie jest takie proste. Jeśli jednak te wyzwania zostaną rozwiązane, mogą one zapewnić cenne alternatywne metody produkcyjne, co stanowi kamień milowy w kierunku długoterminowej integracji większej ilości materiałów katodowych redukujących kobalt.

Rupp i jej współpracownicy planują także przeprowadzić nowe badania, aby zbadać, w jaki sposób przyspieszyć rozwój i wdrażanie SSB na dużą skalę. Obecnie szacuje się, że projektowanie, rozwój i produkcja elektrolitów SSB w środowisku laboratoryjnym zajmuje średnio ponad 10 lat. Zmniejszenie współczynnika wielkości tych komponentów może wymagać dodatkowych 5-10 lat. Te długie okresy czasu podkreślają potrzebę szybszych technik przetwarzania.

W naszych bieżących badaniach badamy i przedstawiamy perspektywę szybkiego przesiewania i szybkiego zautomatyzowanego przetwarzania związków ceramicznych i ich składników chemicznych w celu przetestowania wydajności i szybszego opracowania optymalnej ścieżki produkcyjnej. Nie jest to tak proste, jak ludzie sobie wyobrażają, ponieważ tradycyjna metoda przetwarzania akumulatorów półprzewodnikowych w środowisku akademickim wykorzystuje proszek lub związki spiekane, co ma pewien stopień złożoności w zakresie szybkiego sprawdzania i przeprowadzania zautomatyzowanych cykli. Mamy nadzieję wesprzeć naszą pracę konkretnymi przykładami i analizami, ponieważ te potencjalne metody są bardziej odpowiednie do poszukiwania najlepszych warunków przetwarzania na potrzeby szybkiego cyklu pracy i automatyzacji, a także do projektowania i wytwarzania komponentów i akumulatorów do przyszłych akumulatorów półprzewodnikowych.