Новая японская технология обещает более дешевое и быстрое производство твердотельных батарей

твердотельные батареи В течение многих лет их считали «Святым Граалем» хранения энергии, поскольку они обещают более высокую плотность энергии, большую безопасность и большую долговечность, чем современные литий-ионные батареи. Однако их производство остается сложным и дорогостоящим, что препятствует их массовому распространению.

Исследователи из Университет Тохоку в Японии опубликовали исследование в журнале Маленький которые могли бы изменить правила игры: они обнаружили, что два метода сжатия давления, горячее прессование (HP) и искрово-плазменное спекание (SPS), предлагают эквивалентные результаты в производстве керамических электролитов для батарей будущего, радикально сокращая время и стоимость производства.

Твердотельные батареи, и особенно литий-металлические батареи (SSLMB), привлекают интерес компаний и исследовательских лабораторий по всему миру. Вместо жидких легковоспламеняющихся электролитов, как в обычных батареях, в них используются твердые материалы, что исключает риск протечек или возгораний. Несмотря на их преимущества, их массовое производство натолкнулось на серьезное препятствие: создание тонких, однородных и бездефектных пленок, действующих как твердые электролиты.. Этот процесс обычно требует высоких температур, длительного времени плавления и энергоемкого оборудования — факторы, которые увеличивают затраты и затрудняют коммерческую эксплуатацию.

Исследование Тохоку сосредоточено на материале, который уже привлек интерес научного сообщества: оксид Li7La3Zr2O12известный как ЛЛЗО. ЛЛЗО сочетает в себе превосходную ионную проводимость с химической стабильностью, характеристики, которые делают его идеальным для использования в твердотельные электролиты. Однако его производство требует усилий: оно требует длительного плавления при температуре, превышающей 1000°C, с риском испарения лития — явления, которое может изменить структуру материала и резко увеличить стоимость.

Чтобы преодолеть эти препятствия, японские исследователи решили сравнить два популярных метода сжатия под давлением. горячее прессование использует тепло и механическое давление для конденсации материала, в то время как искрово-плазменное спекание он добавляет электрические разряды, которые теоретически ускоряют процесс. Команда Тохоку измерила результаты обеих систем и обнаружила, что плотность материала достигла почти 98% менее чем за пять минутчто является значительным улучшением по сравнению с традиционно необходимыми часами или днями.

Самый интересный момент исследования заключается в том, что и эти два метода дали почти идентичные результаты: микроструктура и ионная проводимость ЛЛЗО оставались неизменными независимо от метода. Другими словами, искрово-плазменное спекание его превосходство не было доказано, несмотря на широко распространенное мнение о том, что он обладает «преимуществом плазмы», ускоряющим уплотнение.

«Наши результаты показывают, что SPS по своей сути не превосходит“, – поясняет профессор Ченгодин из авторов исследования. “Этот процесс основан на сочетании тепла и давления — так же, как и горячее прессование. Таким образом, выбор метода может осуществляться на основе чисто экономических и практических критериев, а не на основе технологических мифов.».

Этот вывод имеет практическое значение для аккумуляторной промышленности, которая зачастую неохотно инвестирует в сложные и дорогостоящие разработки. технологии производство. Если горячее прессование может дать эквивалентные результаты без специального оборудования, тогда производственный процесс твердотельные электролиты могут быть сделаны более доступными для массового производства. Для многих компаний это означает снижение затрат, экономию времени и более легкую интеграцию новых аккумуляторов в существующие производственные линии.

Таким образом, исследование бросает вызов одному из ключевых «принципов» этой области: только самые передовые или энергоемкие методы могут привести к высококачественному результату. твердотельные материалы. Исследователи Тохоку утверждают, что дело не в сложности метода, а в точности контроля тепла и давления, чего можно достичь более доступными способами.

Следующим шагом будет оценка эффективности этих электролитов внутри реальных прототипов твердотельных элементов. Если результаты подтвердятся, технология может ускорить появление новых поколений аккумуляторов для электромобилей, портативных устройств и систем хранения энергии.

[source]