Polprevodniške baterije so postale najbolj obetavna tehnologija za zamenjavo litijevih baterij. MIT je povzel najnovejši napredek v tehnologiji polprevodniških baterij

Polprevodniške baterije (SSB) so nastajajoča baterijska tehnologija z visoko energijsko gostoto, ki lahko tekmuje z litij-ionskimi baterijami (LIB), ki zagotavljajo energijo za različne elektronske naprave na trenutnem trgu. Za razliko od tradicionalnih litij-ionskih baterij imajo polprevodniške baterije trden keramični elektrolit, ki ločuje anodo in katodo v bateriji. V nekaterih baterijah lahko ta oblika uporablja litij kot anodo.

Preden se polprevodniške baterije lahko komercializirajo in uporabljajo v velikem obsegu, morajo raziskovalci opredeliti stroškovno učinkovite strategije za proizvodnjo njihovih posameznih komponent in razviti obetavne modele baterijskih celic. Raziskovalci s Tehnološkega inštituta v Massachusettsu (MIT) so napisali pregledni članek, v katerem povzemajo najnovejši razvoj na tem področju in opisujejo strategije za obdelavo trdnih elektrolitov in serijskih povezav elektrolit/katoda, ki jih je mogoče uporabiti za prihodnjo zasnovo SSB.

Zaradi dejstva, da se je večina prejšnjih raziskav osredotočala na zrnate trdne elektrolite, je 75-odstotni proizvodni strošek, opisan v trenutni napovedi stroškov SSB, močno precenjen, saj temeljijo na tehnologiji visokotemperaturnega klasičnega sintranja za predelavo trdnega elektrolita. Eden od raziskovalcev, ki izvaja to študijo, Moran Balaish, je pojasnil, da nekatere napovedi kažejo, da če so stroški odločilni dejavnik, so stroški SSB, ki temeljijo na oksidnih trdnih elektrolitih, visoki in skoraj nemogoče tekmovati z LIB. Zagotavljamo nizkotemperaturne proizvodne rešitve, ki vplivajo na sestavljanje baterij, in predlagamo, da raziskovalci ne samo poročajo in razmišljajo o klasičnem Arrheniusovem transportnem Li+diagramu in oknu elektrokemične stabilnosti, ampak tudi razmišljajo o novem "proračunu za vročo obdelavo".

Rupp in njeni sodelavci v svojem prispevku poudarjajo, da je zdaj dovolj možnosti za proizvodnjo keramičnih filmov elektrolitov SSB pri nizkih temperaturah z obsegom velikosti 1-20um. Poleg tega so tudi predlagali, da lahko obstoječe strategije zmanjšajo proizvodne stroške SSB z izogibanjem dragi strategiji sosežiga pri proizvodnji katod in elektrolitov.

Na primer, če se pri načrtovanju in izdelavi SSB oksidnih baterij izognemo visokotemperaturnemu sosintranju, se lahko za proizvodnjo katodnih materialov uporabi manj kobalta, kar pomaga preprečiti prihodnje geopolitične konflikte glede virov, pojasnjuje Rupp.

V prihodnosti lahko alternativna strategija sosintranja, o kateri razpravljajo Rupp in njeni kolegi, vpliva na konkurenčnost polprevodniških baterij na osnovi oksidiranega litija. Poleg tega lahko utrejo pot nadaljnjim raziskavam nizkotemperaturnih trdnih baterij za električna vozila ali prenosne elektronske izdelke.

Doslej se je večina laboratorijskih raziskav v akademskih krogih odločila za proizvodnjo sintranih delcev kot testnih materialov in sestavljanje baterij, pri čemer je le nekaj skupin preučevalo alternativne rešitve, kot je razvoj magnetnih trakov in tankih filmov za prilagoditev izvajanju in konkurenčnemu oblikovanju SSB-jev z tanki in močni elektroliti. Obstaja veliko zgodovinskih razlogov, povezanih z razvojem tega področja, vendar je njegova pomanjkljivost, da je sintranje delcev premočno, kar omejuje integracijo kobaltove redukcijske katode. Njegove zunanje mere niso idealne, stroški postopka pa so visoki, ker je več teh katodnih materialov nestabilnih le (zaradi faznih diagramov) pri visokotemperaturnem sosežigu z elektrolitskimi komponentami.

Pregledni dokument, ki so ga napisali Rupp in njeni kolegi, je na koncu posredoval dokaj preprosto sporočilo. Natančneje, poudarja prednosti prehoda na sintezo elektrolitov SSB, zaradi česar je njihova velikost podobna tisti pri klasičnih polimernih separatorjih v LIB. Po mnenju raziskovalcev je takšna transformacija dragocena za izboljšanje strukture SSB in zmanjšanje njegovih stroškov, hkrati pa zagotavlja nove možnosti za integracijo nekobaltnih katod v večjem obsegu.

Presenečeni smo ugotovili, da čeprav imajo zasnove SSB s tehničnimi zahtevami tanke in čvrste elektrolite, na tem področju še vedno primanjkuje podatkov, ki bi prikazali večino Arrheniusovih diagramov in elektrokemičnih oken na osnovi milimetrskih sintranih delcev. Juan Carlos Gonzalez Rosillo je bil eden prvih avtorjev.

Čeprav je več študij poudarilo potencial SSB-jev z debelino komponent le nekaj mikrometrov, je do zdaj le malo skupin predlagalo učinkovite strategije za obsežno proizvodnjo teh komponent. Rupp in njeni sodelavci so v svojem prispevku predlagali metodo, ki lahko na koncu doseže ta cilj, na podlagi raziskovalnih dokazov, zbranih v zadnjih nekaj letih.

Nekatera vprašanja, ki smo jih izpostavili v prispevku, so: katere metode so primerne za razvoj teh komponent, in kar je pomembno, kako bodo te metode vplivale na proračun za termično obdelavo, da bi zmanjšali stroške in zagotovili možnosti za izogibanje sosintranju katodnih/elektrolitnih komponent? Rupp je dodal: Naš pregled je bil skromen trud, da bi navdihnili druge ekipe, da raziščejo alternativne rešitve za proizvodnjo tankih in robustnih SSB-jev ter elektrolitov za SSB-je.

V prihodnjih raziskavah se nameravajo raziskovalci osredotočiti na dva glavna vidika razvoja SSB. Prvič, upajo, da bodo opisali različne druge strategije, ki jih je mogoče uporabiti za obdelavo katod in elektrolitov SSB, ne da bi se zanašali na postopke sosintranja.

Rupp je pojasnil, da so vse to zahtevne in veliko bolj zamudne alternative kot postopki, ki temeljijo na klasičnih poteh iz prahu v delce ali traku, saj obstaja obsežno polje parametrov in najboljši protokol zgoščevanja, medtem ko ohranjanje stehiometrije trdne kemične sestave ni tako preprosto. Če pa so izzivi rešeni, lahko te zagotovijo dragocene alternativne proizvodne metode, ki so uvod v dolgoročno integracijo katodnih materialov, ki reducirajo kobalt.

Rupp in njeni kolegi načrtujejo tudi izvedbo novih raziskav, da bi raziskali, kako pospešiti obsežen razvoj in izvajanje SSB. Trenutno načrtovanje, razvoj in proizvodnja elektrolitov SSB v laboratorijskem okolju po ocenah v povprečju traja več kot 10 let. Zmanjšanje faktorja velikosti teh komponent bo morda zahtevalo dodatnih 5-10 let. Ta dolga časovna obdobja poudarjajo potrebo po hitrejših tehnikah obdelave.

V naših trenutnih raziskavah raziskujemo in predstavljamo perspektivo hitrega presejanja in hitre avtomatizirane obdelave keramičnih spojin in njihovih kemičnih komponent za testiranje delovanja in hitrejše ponavljanje optimalne proizvodne poti. To ni tako preprosto, kot si ljudje predstavljajo, saj tradicionalna pot obdelave polprevodniških baterij v akademskih krogih uporablja prah ali sintrane spojine, ki imajo določeno stopnjo zapletenosti za hitro pregledovanje in izvajanje avtomatiziranih ciklov. Upamo, da bomo naše delo podprli s posebnimi primeri in analizami, saj so te potencialne metode primernejše za iskanje najboljših pogojev obdelave za hitro kroženje in avtomatizacijo ter za načrtovanje in proizvodnjo komponent in baterij za prihodnje polprevodniške baterije.