新熔體滲透技術(shù)電池制造商將能夠生產(chǎn)出更輕、更安全、更節(jié)能的電池

近日，美國喬治亞理工學(xué)院材料研究團隊發(fā)現(xiàn)了一種新的熔體滲透技術(shù)，在這種技術(shù)的作用下，固態(tài)汽車鋰離子電池能夠和傳統(tǒng)液體電解質(zhì)制備的電池用同樣的生產(chǎn)工藝生產(chǎn)。

該技術(shù)采用不易燃的陶瓷電解質(zhì)，能滲透到多孔、緊密堆積的熱穩(wěn)定電極中?？稍跊]有壓力的情況下，將包括多層電極隔板堆在內(nèi)的熔融固體電解質(zhì)滲透到多孔體中，進而生產(chǎn)高密度的復(fù)合材料。

該研究成果以《電解質(zhì)熔體滲透技術(shù)可擴展制造無機全固態(tài)鋰離子電池》（“Electrolyte melt infiltration for scalable manufacturing of inorganic all-solid-state lithium-ion batteries”）為題，于 3 月 8 日發(fā)表在 Nature Materials 雜志上，美國佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院教授 Gleb Yushin 教授?是該論文的通訊作者。

圖丨相關(guān)論文

眾所周知，全固態(tài)鋰（Li）金屬及鋰離子電池（ASSLB）因其無機固態(tài)電解質(zhì)為電動汽車和其他應(yīng)用提供了更高的安全性。然而，如今的無機 ASSLB 制造技術(shù)有成本過高的缺點，過量的固態(tài)電解質(zhì)及導(dǎo)電的添加劑會造成低體積能量密度。因此，研發(fā)一種能降低固體電池的生產(chǎn)成本又能提高體積能量密度的制備技術(shù)迫在眉睫。

在該項研究中，研究人員采用了使用液體電解質(zhì)的低成本鋰離子電池制造工藝，不但使用低熔點固態(tài)電解質(zhì)，而且在中等溫度（?300°C 或更低）下呈液態(tài)滲入致密、熱穩(wěn)定的電極中，之后在冷卻過程中凝固。

該節(jié)能方法用于用 LiNi 制備無機 ASSLB，這大大減少了行業(yè)采用的障礙。因此，利用該技術(shù)制備了 LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2 正極與 Li4Ti5O12 和石墨負極的無機 ASSLBs，這為 ASSLBs 早日實現(xiàn)商業(yè)化加速了進程。

圖丨熔體滲透示意圖

Gleb Yushin 解釋說：“雖然傳統(tǒng)的固態(tài)電解質(zhì)的熔點范圍可以從 700 攝氏度到 1000 攝氏度以上，但我們在較低的溫度范圍內(nèi)運行，具體取決于電解質(zhì)的成分，大約為 200 到 300 攝氏度，它們在較低的溫度下，制造得更快、更容易。并且在低溫下，聚合物粘合劑或膠水在內(nèi)的標準電極組件可以保持穩(wěn)定。”

圖丨熔體滲透后電極形貌的表征

該技術(shù)可以在大型汽車鋰離子電池中使用，它與傳統(tǒng)液體電解質(zhì)電池生產(chǎn)過程采用相同的制造工藝，但不是使用液體電解質(zhì)，而是使用 100％固態(tài)不可燃的陶瓷，因而變得更加安全。

目前該技術(shù)正在申請專利，這種技術(shù)分別從兩方面汲取經(jīng)驗 —— 液體電解質(zhì)的低成本和商用鋰離子電池的制造方法，但在生產(chǎn)過程中將工藝改為固態(tài)電解質(zhì)，其熔點低的特征可使其熔化并滲入致密的電極中。結(jié)果表明，能夠借鑒鋰離子電池已有 30 多年經(jīng)驗的成熟工具以及制備工藝，在此條件下，能夠快速生產(chǎn)、大規(guī)模地制造出高質(zhì)量多層電池，并且任何大小或形狀都可以。

喬治亞理工學(xué)院的研究生、該論文第一作者 Yiran Xiao 解釋說：“熔滲技術(shù)是關(guān)鍵的進步。鋰離子電池的循環(huán)壽命和穩(wěn)定性在很大程度上取決于工作條件，尤其是溫度。如果電池長時間長時間過熱，它們通常會開始過早退化，并且過熱的電池可能著火。這促使幾乎所有電動汽車（EV）都配備了復(fù)雜且昂貴的冷卻系統(tǒng)。相比之下，固態(tài)電池可能只需要加熱器，這比冷卻系統(tǒng)便宜得多?！?/p>

圖丨 Gleb Yushin 教授在校園 EV 充電站

“已開發(fā)的熔體滲透技術(shù)可與包括所謂轉(zhuǎn)換型電極在內(nèi)的各種化學(xué)材料兼容。目前，這種材料已被證明可將汽車電池的能量密度提高 20％以上，在汽車中的能量密度可提高 100％以上?！?佐治亞理工學(xué)院科學(xué)家 Kostiantyn Turcheniuk 說。他指出，“更高密度的電池支持更長的行駛距離，電池則需要大容量的電極以實現(xiàn)性能上的飛躍。”

雖然目前佐治亞理工學(xué)院的技術(shù)尚未投入商業(yè)應(yīng)用，但 Yushin 預(yù)測，“如果未來電動汽車市場將使用固態(tài)電池常態(tài)化，那么這可能是唯一的方法，因為它將允許制造商使用其現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施。這就是我們專注于該項目的原因，這是我們實驗室追求的最具商業(yè)可行性的創(chuàng)新領(lǐng)域之一?！?/p>

據(jù)悉，電池價格在 2020 年首次達到每千瓦時 100 美元。Yushin 在接受媒體采訪時表示，“他們必須將價格降至每千瓦時 70 美元以下，才能完全打開消費者電動車市場，電池創(chuàng)新對于這種情況至關(guān)重要。科學(xué)家們正在研究和優(yōu)化高溫電解液，這種電解液不僅在細胞中使用的成本高得多，而且種類多達五種。相較于液態(tài)電解質(zhì)，它重了兩倍?！?/p>

目前，該研究團隊重點聚焦在是否可以使用相同技術(shù)開發(fā)其他熔點較低且電導(dǎo)率較高的電解質(zhì)，這種制造工藝的技術(shù)為在該領(lǐng)域進行更多創(chuàng)新打開了閘門，未來電池制造商將能夠生產(chǎn)出更輕、更安全、更節(jié)能的電池。

參考：

https://techxplore.com/news/2021-03-key-low-cost-fast-production-solid-state.html

https://www.nature.com/articles/s41563-021-00943-2
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