钜大LARGE | 点击量：885次 | 2021年12月17日
固态电池成为最有望替代锂电池的技术 MIT总结了固态电池技术最新进展
固态电池(SSBs)是一种新兴的电池技术，具有高能量密度，可与锂离子电池(LIBs)竞争，后者为目前市场上的各种电子设备提供动力。与传统的锂离子电池不同，固态电池有一个固体的"陶瓷"电解质，将电池内的阳极和阴极分开。在某些电池中，这种设计可以使用锂作为阳极。
在固态电池实现商业化和大规模应用之前，研究人员必须确定具有成本效益的策略来生产其单个组件，并开发有前景的电池单元设计。麻省理工学院(MIT)的研究人员撰写了一篇评论文章，总结了该领域的最新进展，概述了加工固体电解质和电解质/阴极串联的策略，这些策略可用于未来的SSB设计。
由于过去的大多数研究都集中在颗粒型固体电解质上，目前SSB的成本预测所概述的75%的生产成本被大大高估了，因为它们是基于高温经典烧结技术的固体电解质加工。进行这项研究的研究人员之一MoranBalaish解释道："因此，一些预测认为，如果成本是决定性因素，基于氧化物固体电解质的SSB成本很高，几乎无法与LIB竞争。我们提供了影响电池组装的低温制造方案，建议研究人员不仅对经典的Arrhenius传输Li+图和电化学稳定性窗口进行报告和反思，而且对新的'热加工预算'进行反思。"
在他们的论文中，Rupp和她的同事们强调，现在有足够的机会在低温下制造陶瓷SSB电解质薄膜，尺寸范围为1-20um。此外，他们还提出，现有的策略可以通过避免生产阴极和电解质的昂贵的共烧策略来降低SSB生产成本。
"例如，如果在SSB氧化物电池的设计和制造中避免高温共烧结，就可以使用更少的钴来生产阴极材料，这有助于避免未来的地缘-社会-政治资源冲突，"Rupp解释说。
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在未来，Rupp和她的同事所讨论的替代性共烧结策略可能会影响氧化型锂基固态电池的竞争力。此外，他们还可以为进一步专注于电动汽车或便携式电子产品的低温固体电池的研究铺平道路。
到目前为止，学术界大多数基于实验室的研究都选择制造烧结颗粒作为测试材料和组装电池的方式，只有少数小组在研究替代方案，例如开发磁带和薄膜，以适应具有薄而坚固的电解质的SSB的现实和竞争设计。这有许多与该领域如何发展相关的历史原因，然而，它的不利之处在于，烧结成颗粒太强烈地限制了所述钴还原阴极的集成，其外形尺寸不理想，工艺成本高，因为更多的这些阴极材料在与电解质组分的高温共烧中只是(通过相图)不稳定。
Rupp和她的同事撰写的评论论文最终传达了一个相当简单的信息。更具体地说，它强调了过渡到合成SSB电解质的好处，使其尺寸与LIBs中经典聚合物分离器的尺寸相似。根据研究人员的说法，这样的转型对于改善SSB的结构和降低其成本都很有价值，同时也为在更大范围内集成非钴制的阴极提供了新的可能性。
"令我们感到惊讶的是，即使有技术需求的SSB设计具有薄而坚固的电解质，但在该领域仍然缺乏显示大多数Arrhenius图和电化学窗口基于毫米大小的烧结颗粒的数据，"JuanCarlosGonzalez-Rosillo是第一作者之一。
虽然有几项研究强调了SSBs的潜力，其组件厚度只有几微米，但到目前为止，很少有团队提出了大规模生产这些组件的有效策略。在他们的论文中，Rupp和她的同事提出了最终可以实现这一目标的方法，他们的假设基于过去几年收集的研究证据。
我们在论文中提出的一些问题是：什么方法适合开发这些组件，重要的是，这些方法将如何影响热加工预算以降低成本，并为阴极/电解质组件提供避免共烧结的选择？Rupp补充道："我们的回顾是一种谦虚的努力，以激励其他团队探索替代制造薄型和坚固的SSB以及SSB的电解质的方案。"。
在未来的研究中，研究人员计划关注SSB开发的两个主要方面。首先，他们希望勾勒出其他各种策略，这些策略可以用来加工SSB的阴极和电解质，而不依赖于共烧结工艺。
Rupp解释说："这些都是具有挑战性的，而且远比基于经典粉末到颗粒或胶带路线的工艺更耗时的替代方案，因为有一个巨大的参数领域和最佳的致密化协议，同时保持固体化学成分的化学计量学并不那么简单，然而，如果挑战得到解决，这些可以提供有价值的替代制造方式，这是朝向长期整合更多钴还原阴极材料的开门红。"
Rupp和她的同事们还计划开展新的研究，探索如何加快SSB的大规模开发和实施。目前，在实验室环境下设计、开发和制造SSB电解质估计平均需要10年以上。减少这些组件的尺寸因素可能需要额外的5-10年。这些时间过长，凸显了对更快加工技术的需求。
"在我们目前的研究中，我们探索并给出了陶瓷化合物及其化学成分的快速筛选和快速自动化加工的观点，以测试性能并更快地迭代最佳制造路线，这并不像人们想象的那样简单，因为学术界传统的固态电池加工路线通过粉末或烧结化合物，对于快速筛选和运行自动化循环有一定的复杂性。我们希望通过具体的例子和分析来支持我们的工作，这些潜在的方法更适合做快速循环和自动化的寻求最佳的加工条件，为未来的固态电池设计制造组件和电池。"
