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全新熔体渗透技术:可使电动汽车固态电池成本降低、快速生产

近日,美国乔治亚理工学院材料研究团队发现了一种新的熔体渗透技术,在这种技术的作用下,固态汽车锂离子电池能够和传统液体电解质制备的电池用同样的生产工艺生产。


该技术采用不易燃的陶瓷电解质,能渗透到多孔、紧密堆积的热稳定电极中。可在没有压力的情况下,将包括多层电极隔板堆在内的熔融固体电解质渗透到多孔体中,进而生产高密度的复合材料。


该研究成果以《电解质熔体渗透技术可扩展制造无机全固态锂离子电池》(“Electrolyte melt infiltration for scalable manufacturing of inorganic all-solid-state lithium-ion batteries”)为题,于 3 月 8 日发表在 Nature Materials 杂志上,美国佐治亚理工学院材料科学与工程学院教授 Gleb Yushin 教授?是该论文的通讯作者。


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图丨相关论文(来源:Nature Materials


众所周知,全固态锂(Li)金属及锂离子电池(ASSLB)因其无机固态电解质为电动汽车和其他应用提供了更高的安全性。然而,如今的无机 ASSLB 制造技术有成本过高的缺点,过量的固态电解质及导电的添加剂会造成低体积能量密度。因此,研发一种能降低固体电池的生产成本又能提高体积能量密度的制备技术迫在眉睫。


在该项研究中,研究人员采用了使用液体电解质的低成本锂离子电池制造工艺,不但使用低熔点固态电解质,而且在中等温度(?300°C 或更低)下呈液态渗入致密、热稳定的电极中,之后在冷却过程中凝固。


该节能方法用于用 LiNi 制备无机 ASSLB,这大大减少了行业采用的障碍。因此,利用该技术制备了 LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2 正极与 Li4Ti5O12 和石墨负极的无机 ASSLBs,这为 ASSLBs 早日实现商业化加速了进程。


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图丨熔体渗透示意图(来源:Nature Materials


Gleb Yushin 解释说:“虽然传统的固态电解质的熔点范围可以从 700 摄氏度到 1000 摄氏度以上,但我们在较低的温度范围内运行,具体取决于电解质的成分,大约为 200 到 300 摄氏度,它们在较低的温度下,制造得更快、更容易。并且在低温下,聚合物粘合剂或胶水在内的标准电极组件可以保持稳定。”


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图丨熔体渗透后电极形貌的表征(来源:Nature Materials


该技术可以在大型汽车锂离子电池中使用,它与传统液体电解质电池生产过程采用相同的制造工艺,但不是使用液体电解质,而是使用 100%固态不可燃的陶瓷,因而变得更加安全。


目前该技术正在申请专利,这种技术分别从两方面汲取经验 —— 液体电解质的低成本和商用锂离子电池的制造方法,但在生产过程中将工艺改为固态电解质,其熔点低的特征可使其熔化并渗入致密的电极中。结果表明,能够借鉴锂离子电池已有 30 多年经验的成熟工具以及制备工艺,在此条件下,能够快速生产、大规模地制造出高质量多层电池,并且任何大小或形状都可以。


乔治亚理工学院的研究生、该论文第一作者 Yiran Xiao 解释说:“熔渗技术是关键的进步。锂离子电池的循环寿命和稳定性在很大程度上取决于工作条件,尤其是温度。如果电池长时间长时间过热,它们通常会开始过早退化,并且过热的电池可能着火。这促使几乎所有电动汽车(EV)都配备了复杂且昂贵的冷却系统。相比之下,固态电池可能只需要加热器,这比冷却系统便宜得多。”


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图丨 Gleb Yushin 教授在校园 EV 充电站(来源:佐治亚理工学院)


“已开发的熔体渗透技术可与包括所谓转换型电极在内的各种化学材料兼容。目前,这种材料已被证明可将汽车电池的能量密度提高 20%以上,在汽车中的能量密度可提高 100%以上。” 佐治亚理工学院科学家 Kostiantyn Turcheniuk 说。他指出,“更高密度的电池支持更长的行驶距离,电池则需要大容量的电极以实现性能上的飞跃。”


虽然目前佐治亚理工学院的技术尚未投入商业应用,但 Yushin 预测,“如果未来电动汽车市场将使用固态电池常态化,那么这可能是唯一的方法,因为它将允许制造商使用其现有产品设施和基础设施。这就是我们专注于该项目的原因,这是我们实验室追求的最具商业可行性的创新领域之一。”


据悉,电池价格在 2020 年首次达到每千瓦时 100 美元。Yushin 在接受媒体采访时表示,“他们必须将价格降至每千瓦时 70 美元以下,才能完全打开消费者电动车市场,电池创新对于这种情况至关重要。科学家们正在研究和优化高温电解液,这种电解液不仅在细胞中使用的成本高得多,而且种类多达五种。相较于液态电解质,它重了两倍。”


目前,该研究团队重点聚焦在是否可以使用相同技术开发其他熔点较低且电导率较高的电解质,这种制造工艺的技术为在该领域进行更多创新打开了闸门,未来电池制造商将能够生产出更轻、更安全、更节能的电池。


来源:DeepTech深科技