Les bateries d'estat sòlid s'han convertit en la tecnologia més prometedora per substituir les bateries de liti. El MIT ha resumit els últims avenços en tecnologia de bateries d'estat sòlid

Les bateries d'estat sòlid (SSB) són una tecnologia de bateries emergent amb una alta densitat d'energia que pot competir amb les bateries d'ions de liti (LIB), que proporcionen energia a diversos dispositius electrònics del mercat actual. A diferència de les bateries d'ió de liti tradicionals, les bateries d'estat sòlid tenen un electròlit ceràmic sòlid que separa l'ànode i el càtode dins de la bateria. En algunes bateries, aquest disseny pot utilitzar liti com a ànode.

Abans que les bateries d'estat sòlid es puguin comercialitzar i aplicar a gran escala, els investigadors han d'identificar estratègies rendibles per produir els seus components individuals i desenvolupar dissenys prometedors de cèl·lules de bateries. Investigadors de l'Institut Tecnològic de Massachusetts (MIT) han escrit un article de revisió que resumeix els darrers desenvolupaments en el camp i exposa estratègies per processar electròlits sòlids i connexions en sèrie d'electròlits/càtodes, que es poden utilitzar per al futur disseny de SSB.

A causa del fet que la majoria de les investigacions anteriors s'han centrat en electròlits sòlids granulars, el cost de producció del 75% descrit a la predicció de costos actual de SSB està molt sobreestimat, ja que es basen en la tecnologia de sinterització clàssica d'alta temperatura per al processament d'electròlits sòlids. Un dels investigadors que va dur a terme aquest estudi, Moran Balaish, va explicar que algunes prediccions suggereixen que si el cost és el factor determinant, el cost de SSB basat en electròlits sòlids d'òxid és elevat i gairebé impossible de competir amb LIB. Oferim solucions de fabricació a baixa temperatura que afecten el muntatge de bateries i suggerim que els investigadors no només informen i reflexionin sobre el clàssic diagrama de transport de Li + d'Arrhenius i la finestra d'estabilitat electroquímica, sinó que també reflexionin sobre el nou "pressupost de processament en calent".

En el seu article, Rupp i els seus col·legues destaquen que ara hi ha suficients oportunitats per fabricar pel·lícules ceràmiques d'electròlits SSB a baixes temperatures, amb un rang de mida de 1-20um. A més, també van proposar que les estratègies existents poden reduir el cost de producció de SSB evitant la costosa estratègia de co-cocció de produir càtodes i electròlits.

Per exemple, si s'evita la cosinterització a alta temperatura en el disseny i la fabricació de bateries d'òxid SSB, es pot utilitzar menys cobalt per produir materials càtods, cosa que ajuda a evitar futurs conflictes de recursos geopolítics, explica Rupp.

En el futur, l'estratègia alternativa de co-sinterització discutida per Rupp i els seus col·legues pot afectar la competitivitat de les bateries d'estat sòlid basades en liti oxidat. A més, també poden obrir el camí per a més investigacions sobre bateries sòlides de baixa temperatura per a vehicles elèctrics o productes electrònics portàtils.

Fins ara, la majoria de la investigació de laboratori a l'àmbit acadèmic ha optat per fabricar partícules sinteritzades com a materials de prova i muntar bateries, amb només uns pocs grups que estudien solucions alternatives, com ara el desenvolupament de cintes magnètiques i pel·lícules primes per adaptar-se a la implementació i disseny competitiu de SSB amb electròlits prims i resistents. Hi ha moltes raons històriques relacionades amb el desenvolupament d'aquest camp, però el seu desavantatge és que la sinterització de partícules és massa forta, la qual cosa limita la integració del càtode de reducció de cobalt. Les seves dimensions externes no són ideals i el cost del procés és elevat, perquè més d'aquests materials de càtode només són inestables (a través de diagrames de fase) en cocció a alta temperatura amb components electrolítics.

El document de revisió escrit per Rupp i els seus col·legues finalment va transmetre un missatge bastant senzill. Més concretament, posa èmfasi en els beneficis de la transició a la síntesi d'electròlits SSB, fent que la seva mida sigui semblant a la dels separadors de polímers clàssics en els LIB. Segons els investigadors, aquesta transformació és valuosa per millorar l'estructura de SSB i reduir-ne el cost, alhora que ofereix noves possibilitats per integrar càtodes no cobalts a més gran escala.

Ens va sorprendre trobar que, tot i que els dissenys SSB amb requisits tècnics tenen electròlits prims i resistents, encara hi ha una manca de dades en aquest camp que mostrin la majoria de diagrames d'Arrhenius i finestres electroquímiques basades en partícules sinteritzades de mida mil·limètrica. Juan Carlos Gonzalez Rosillo va ser un dels primers autors.

Tot i que diversos estudis han posat de manifest el potencial dels SSB amb gruixos de components de només uns pocs micròmetres, fins ara, pocs equips han proposat estratègies efectives per a la producció a gran escala d'aquests components. En el seu article, Rupp i els seus col·legues van proposar un mètode que finalment pot assolir aquest objectiu, basat en l'evidència de la investigació recollida durant els últims anys.

Algunes de les preguntes que vam plantejar al document són: quins mètodes són adequats per desenvolupar aquests components i, sobretot, com afectaran aquests mètodes al pressupost de processament tèrmic per reduir costos i oferir opcions per evitar la cosinterització dels components de càtode/electròlit? Rupp va afegir: La nostra revisió va ser un humil esforç per inspirar altres equips a explorar solucions alternatives per fabricar SSB prims i resistents, així com electròlits per SSB.

En futures investigacions, els investigadors tenen previst centrar-se en dos aspectes principals del desenvolupament de SSB. En primer lloc, esperen esbossar altres estratègies que es poden utilitzar per processar càtodes i electròlits SSB, sense dependre de processos de cosinterització.

Rupp va explicar que totes aquestes són alternatives difícils i que requereixen molt més temps que els processos basats en rutes clàssiques de pols a partícules o cinta, ja que hi ha un ampli camp de paràmetres i el millor protocol de densificació, mentre que no es manté l'estequiometria de la composició química sòlida. així de senzill. Tanmateix, si es resolen els reptes, aquests poden proporcionar mètodes de fabricació alternatius valuosos, que són la pedra angular cap a la integració a llarg termini de més materials càtods reductors de cobalt.

Rupp i els seus col·legues també tenen previst dur a terme noves investigacions per explorar com accelerar el desenvolupament i la implementació a gran escala de SSB. Actualment, el disseny, el desenvolupament i la fabricació d'electròlits SSB en un entorn de laboratori s'estima que triga una mitjana de més de 10 anys. La reducció del factor de mida d'aquests components pot requerir 5-10 anys addicionals. Aquests llargs períodes de temps posen de manifest la necessitat de tècniques de processament més ràpides.

En la nostra investigació actual, explorem i presentem la perspectiva del cribratge ràpid i el processament automatitzat ràpid de compostos ceràmics i els seus components químics per provar el rendiment i repetir la ruta de fabricació òptima més ràpidament. Això no és tan senzill com la gent s'imagina, ja que la ruta tradicional de processament de bateries d'estat sòlid a l'àmbit acadèmic utilitza compostos en pols o sinteritzats, que té un cert grau de complexitat per a la detecció ràpida i l'execució de cicles automatitzats. Esperem donar suport al nostre treball mitjançant exemples i anàlisis concrets, ja que aquests mètodes potencials són més adequats per buscar les millors condicions de processament per a un cicle ràpid i automatització, i per dissenyar i fabricar components i bateries per a futures bateries d'estat sòlid.