一篇论文最近在《华尔街日报》发表了一篇论文ACS能源字母综述了等静压的作用(ISP)在大规模固态电池(单边带)的生产。
研究:等静压的作用在固态电池的大规模生产。图片来源:JLStock / Shutterstock.com
背景
SSBs获得了显著的关注作为一个合适的替代能源存储应用程序由于其低成本、高的能量密度,改善安全,和长循环寿命。然而,大量的处理和材料挑战目前阻碍SSBs的实际部署。
例如,下面的功率和能量密度和锂离子电池相比显著降低。在一个复杂的系统,如一个单边带,想象,发展,和简化生产系统可以处理不同的化学反应,形成因素、材料、加工条件越来越重要。亚博网站下载
可伸缩的薄金属锂阳极处理,厚复合电极,和薄固体电解质及其集成到电池配置提高接近市场单边带的价值定位是至关重要的。
ISP是一个过程,涵盖了大部分的加工条件所需的大规模生产的固体电解质材料。亚博网站下载ISP可以用来生成致密,薄固体电解质层用于实际的下面。此外,这项技术提供了一种途径向固态电解质的集成,阳极,和阴极层tri-layer,密集的商业应用系统。
在本文中,作者回顾了最近的研究在下面,利用ISP技术和系统的对电化学性能的影响。作者还进行了技术经济分析实现ISP在商业规模。
ISP的处理途径
ISP可以分为热等静压(HIP),冷等静压(CIP)和热等静压(在制品)。后样品的均匀性和密度ISP治疗取决于工艺条件的优化,包括压力、温度和时间的ISP周期。
臀部、在制品和CIP可以区分他们的工艺条件。国际马铃薯中心可以提供多达600 MPa ISP功能根据设备大小和设计。app亚博体育液体组成的添加剂,如石油、水经常利用介质的压力。
在制品也提供了类似的按功能和可以执行标准CIP血管。加压介质外部加热,然后流传到压力容器。高温高达150oC具有良好的温度均匀性可以通过使用兼容包材料和高温油。
压力介质必须仔细选择在这在制品搬运活性材料、硫化物和锂等,消除潜在的化学反应。亚博网站下载然而,金属锂阳极处理正确使用在制品/ CIP工艺优化实验条件。
标准臀部设备提供200 Mapp亚博体育Pa能力和高温温度高达2000°C的准确性和一致性。通常使用惰性氩气作为保护介质压力炉和工件在高温操作。
臀部的处理时间是明显高于其他ISP过程相比,需要几个小时的分钟,由于高压缩的气体与液体。然而,最近的事态发展在容器冷却和设计策略允许均匀快速冷却(URC),这大大减少了处理时间。
应用下面的ISP
在下面,ISP将用于单个组件的压实,如薄固体电解质膜和tri-layer阳极/固态电解质/阴极细胞组件启用增强性能。堆放固体电解质表或者电影的批处理伤口卷可以执行使用ISP制造致密薄膜。
尽管囊细胞,圆柱形细胞,tri-layer总成兼容ISP治疗,圆柱形细胞优先于其他几何图形ISP,确保压力均匀表面样本,实现更高的包装容器体积分数,实现更高的吞吐量。
ISP允许内部缺陷和空洞的整合治疗最大的密度和均匀性,实现近距离接触粒子之间没有任何几何限制,同时保留样品的形状。yabo214此外,ISP允许制造更大的组件,提供了优越的物质属性,并增加了长径比。
ISP的关键评估实现在下面
ISP的应用领域的单边带直到现在是有限的。大多数研究使用平均200 - 250 MPa ISP CIP固态电解质材料的循环。然而,通常un-optimized ISP工艺条件,和200 - 250 MPa的选择处理压力是任意的。
在制品没有用于固态电解质致密化在先前的研究中,当臀部治疗中使用有限数量的研究。固体电解质相纯度是影响所有的ISP治疗,包括臀部治疗。
在烧结过程中,需要母亲粉,目前占材料浪费的大量锂镧锆氧化物(LLZO)材料处理可以消除或最小化优化使用石榴石的加工条件。
不透明的颗粒变成半透明的臀部治疗后,表明高的密度和较大的晶粒尺寸改善电化学和传输特性。此外,晶粒生长在ISP治疗会导致特定的优先方向。
阴极粒子晶体取向表yabo214现出更好的性能比多晶SSBs替代品。因此,ISP的能力增长和控制集成/烧结过程中首选的方向可以显著提高单边带的性能,促进高性能电池系统的开发。
虽然固态电解质致密化使用ISP通常表现为超离子导体(NASICON)或garnet-type钠晶体材料,这些致密化策略的使用柔和的电解质,如argyrodites和硫化,也将是有益的。亚博网站下载
例如,在制品和CIP处理用于anti-perovskite固态电解质材料显著提高材料的密度和孔隙度。亚博网站下载此外,在制品的使用导致了小棒状晶体的形成。
因此,ISP软固体电解质材料的应用可以使这些材料的处理与当地更大程度的微观结构控制,这对于生产耐用SSBs是至亚博网站下载关重要的。
ISP致密化机制严重依赖于材料特性,都需要仔细优化pressure-temperature-time相关材料系统。
一些研究还表明,固体电解质提高ISP治疗后的力学性能。例如,HIP-processed镧钛酸锂(LLTO)显示223 MPa平均杨氏模量比192年MPa获得使用传统烧结方法。需要更多的研究来评估ISP工艺条件的影响在固态电解质表面为SSBs设计弹性接口。
使用ISP治疗NASICON和garnet-type材料的致密化增加了导电性。亚博网站下载然而,一个大方差在离子电导率值即使在相同的材料由于缺乏臀部和CIP流程优化的过程。亚博网站下载此外,固有的缺陷化学和晶体结构也影响固态电解质的电导率。
八十五-百分之一百颗粒密度使用ISP技术实现了处理压力。此外,不同的固态电解质|电极组件集成使用ISP /细胞治疗,如髋部或国际马铃薯中心,展示了一种改进的界面接触电极和电解质之间的接口。
因此,细胞表现出较高的放电容量,类似于实际的容量液体electrolyte-based细胞。此外,无二次相位是由ISP过程,表明最小反应在电极和电解质之间由于高压力。此外,单边带对称细胞和全细胞整合使用ISP治疗显示特殊循环稳定,与几个细胞显示稳定1000周期。
在ISP技术,在制品是最适合提高层密度,锂沉积均匀性,固态电解质的结构完整性和阴极|固态电解质界面附着力。
技术经济分析大规模使用ISP单边带生产过程
作者进行了技术经济分析的ISP加工成本大规模单边带制造。他们认为所有电动汽车在未来的二十年里,这几乎是5000万年根据不同的预测,将使用单边带包。
所需的固态电解质和tri-layer细胞体积预测假设包和细胞组成的配置500μm细胞厚度、75μm固态电解质厚度、0.2 N / P比值,和四个mAh厘米−2阴极加载。
圆柱形式因素优于平面配置,而固态电解质膜卷和/或tri-layer电影期间使用ISP处理。单边带ISP在两个独立的阶段的制造过程,包括tri-layer细胞融合和固体电解质层的形成。
分析的基础上,作者预测需要8−15臀部/在制品/ CIP单位处理单元集成和固态电解质处理、细胞融合和ISP运行成本将$ 1−20 k /可根据所使用的ISP技术进行处理。这些结果提供了一个早期估计的处理成本,以满足未来的电动汽车对下面的需求。
结论
一个优化的ISP的过程可以起到至关重要的作用作为一个持久的和高性能的单边带电池和组件制造工具。然而,还需要更多的研究来解决现有的挑战在ISP实现单边带制造。具体来说,ISP技术必须为单边带电池和组件优化改善单边带性能,实现大规模生产。
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源
Balasubramanian, M。来自,N。迪克西特,M。等。等静压的作用在固态电池的大规模生产。ACS能源字母2022年。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c01936
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