全固态金属锂和锂离子(锂离子)电池与无机固态电解质提供了提高安全性的电动汽车和其他应用。然而,目前的制造技术存在成本高、固体电解质和导电添加剂过量以及可达到的体积能量密度低的问题。

一种颠覆性制造技术现在可以降低全固体电池的制造成本并提高体积能量密度。这种新的制造技术可以让固态锂离子电池使用与传统液体电解质相同的生产过程,采用不易燃的陶瓷电解质。

该方法模拟了用液体电解质制造商用锂离子电池的低成本,除了它使用的是低熔点的固态电解质,在适度升高的温度(~300°C或以下)以液态渗入到密度大、热稳定的电极中,然后在冷却过程中凝固。几乎相同的商业设备可以用于电极和电池的制造,这大大降低了工业采用的障碍。

这项技术

佐治亚理工学院开发的熔体渗透技术使用电解质材料,可以渗透到多孔但密集的热稳定电极。该一步法生产高密度复合材料,其基础是无压力、毛细管驱动的熔融固体电解质渗入多孔体,包括多层电极分离器堆叠。

Gleb Yushin解释说:“虽然传统固态电解质的熔点可以在700到1000°C之间,但我们的操作温度范围要低得多,这取决于电解质成分,大约在200到300°C之间。”佐治亚理工学院材料科学与工程学院的一名教授说:“在这些较低的温度下,制造速度更快,也更容易。材料在低温下不会发生反应。标准电极组件,包括聚合物粘合剂或胶水,可以在这些条件下保持稳定。”

这项新技术可以让大型汽车锂离子电池使用100%固态不可燃陶瓷而不是使用传统的液体电解质电池生产过程制造更安全的液体电解质。这项正在申请专利的制造技术模仿了用液体电解质制造商用锂离子电池的低成本,而是使用低熔点的固态电解质,熔化后渗透到密集的电极中。因此,使用过去30年为锂离子开发和优化的成熟工具和工艺,任何尺寸和形状的高质量多层电池都可以大规模快速生产。

“熔体渗透技术是关键的进步。锂离子电池的循环寿命和稳定性在很大程度上取决于操作条件——尤其是温度,”佐治亚理工学院研究生肖逸然解释道。“如果电池长时间过热,它们通常会过早地开始降解,过热的电池可能会着火。这促使几乎所有的电动汽车都安装了复杂而昂贵的冷却系统。”

相比之下,固态电池可能只需要加热器,这比冷却系统便宜得多。

市场

Yushin和Xiao对这种制造过程的潜力感到鼓舞,这将使电池制造商生产更轻、更安全、能量密度更高的电池。“已开发的熔体渗透技术适用于广泛的材料化学,包括所谓的转换型电极。佐治亚理工学院的研究科学家Kostiantyn Turcheniuk说:“这种材料已经被证明可以使汽车电池的能量密度提高20%以上,未来将超过100%。”他指出,高密度电池支持更长的行驶里程。这种电池需要高容量的电极来实现性能的飞跃。

佐治亚理工学院的技术还没有商业化,但Yushin预测,如果未来电动汽车市场的很大一部分接受固态电池,“这可能是唯一的出路”,因为这将允许制造商使用他们现有的生产设施和基础设施。

“这就是我们专注于这个项目的原因——这是我们实验室追求的最具商业可行性的创新领域之一,”他说。

2020年,电池价格首次达到每千瓦时100美元。在消费者电动汽车市场完全开放之前,它们需要将价格降至每千瓦时70美元以下。电池创新是实现这一目标的关键。

材料科学实验室团队目前正专注于开发其他具有较低熔点和较高导电性的电解质,使用实验室已证实的相同技术。Yushin设想,研究小组的制造技术进步将为这一领域的更多创新打开闸门。“很多非常聪明的科学家专注于解决非常具有挑战性的科学问题,而完全忽视了经济和技术的实用性。他们正在研究和优化高温电解质,这种电解质不仅在电池中使用非常昂贵,而且比液体电解质重5倍,”他解释说。“我的目标是推动研究界跳出化学的框框。”

欲了解更多信息,请联系Gleb Yushin教授此电子邮件地址正受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript才能查看它。;404-385-3261


电池技术杂志

本文首次发表于2021年5月号电池技术杂志。

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