Kiinteän tilan litiumparistoja pidetään "lopullisena akkutekniikkana", mutta kiinteän elektrolyytin ja positiivisten ja negatiivisten elektrodien välinen rajapinnan impedanssiongelma on aina ollut pullonkaula, joka estää niiden massatuotantoa. Viime vuosina tutkijat ovat vähitellen voittaneet tämän esteen käyttöliittymän muuttamisen, materiaalien sovittamisen ja prosessiinnovaatioiden avulla, jolloin solid-state-akkukennot voivat siirtyä laboratoriotiedoista kaupalliseen kokeilutuotantoon.
1 rajapinnan impedanssin juuret: fysiikan ja kemian kaksoishaasteet
Rajapinnan impedanssin perimmäinen syy on "huono kontakti". Kiinteät elektrolyyttit ovat enimmäkseen jäykkiä keramiikkaa (kuten LLZO), joiden väliset aukot ja joustavat elektrodimateriaalit ovat fyysisiä aukkoja, mikä johtaa vain 30% -50%: n kosketuspinta -alaan, mikä estää litiumionien johtamispolkua. Vielä haastavampi on kemiallisen yhteensopivuuden kysymys. Kun sulfidielektrolyytit ovat kosketuksissa korkeiden nikkelikatodien kanssa, rajapintareaktiot ilmenevät eristysfaasien, kuten li ∝ po ₄, aiheuttaen impedanssin lisääntymisen jatkuvasti pyöräilyn aikana. 50 syklin jälkeen tietyn sulfidin kiinteän tilan akkukennon rajapinnan impedanssi kasvaa kolminkertaisesti ja kapasiteetin rappeutuminen saavuttaa 40%.
Lämpötilan vaikutus rajapinnan impedanssiin on merkittävämpi. Kiinteän elektrolyyttien ioninen johtavuus on lämpötilaherkkä. -20 asteessa LLZO -keraamisten elektrolyyttien johtavuus laskee 10 ⁻⁴ s/cm: stä huoneenlämpötilassa 10 ⁻⁶ s/cm: iin, kun taas rajapinnan impedanssi kasvaa yli 10 kertaa, mikä johtaa siihen, että solu ei melkein pysty toimimaan alhaisissa lämpötiloissa.
2 rajapinnan muokkaustekniikka: Tehokkaiden johtamiskanavien rakentaminen
Kiinan tiedeakatemian akatemian tiimin kehittämä "gradienttipuskurikerros" -teknologia esittelee elektrolyytin ja positiivisen elektrodin välisen komposiittikerroksen, joka eliminoi fysikaaliset aukot ja tukahduttaa sivureaktiot vähentäen rajapinnan impedanssia 70%: lla ja lisäämällä akkosolujen huoneenlämpöistä johtavuutta 1MS/CM: lle, joka on tasolla. Japanilainen yritys ottaa käyttöön "atomikerroksen laskeutumisen" -teknologian 5nm paksu al ₂ o3 -kalvon tallettamiseen elektrolyytin pinnalle, mikä parantaa rajapinnan sitoutumisvoimaa kuten "molekyyliliima" ja saa syklin elämän ylittää 1000 kertaa.
Pre -litisointikäsittely on avain negatiivisen elektrodin rajapinnan ongelman ratkaisemiseen. Metallisen litiumin esi-implantointi piipohjaisen negatiivisen elektrodin pinnalle muodostaa stabiilin litiumseoskerroksen, joka voi välttää suoran reaktion kiinteän elektrolyytin ja piin välillä. Pre -litetetyn kiinteän akkukennon negatiivinen elektrodirajapinnan impedanssi vähenee 60%ja ensimmäinen varauksen purkaustehokkuus kasvaa 75%: sta 92%: iin.
3 Materiaalin sovittaminen ja prosessiinnovaatio: Massatuotannon ja toteutuksen kiihdyttäminen
Materiaalin yhteensopivuuden suunnittelu on yhtä tärkeä. Sulfidi kiinteiden elektrolyyttien (kuten Li ₇ p ∝ s ₁₁) on huono yhteensopivuus korkean nikkelikatodien kanssa. Tietty yritys on kehittänyt "mangaanirikas katodi" (NI60% MN30% CO10%) reaktiivisuuden vähentämiseksi sulfidien kanssa ja pidentää syklin käyttöikää 200: sta 1000 sykliin. Polymeerielektrolyytit (kuten PEO) ovat yhteensopivampia litiumrautafosfaatin kanssa, ja kiinteän tilan akkukennot yhdistettynä kahteen voivat ylläpitää kapasiteetin pidätysnopeutta 85% jopa 1500 syklin jälkeen 60 asteessa, mikä tekee niistä potentiaalisen liuoksen energian varastoinnin kentällä.
Teknologinen innovaatio kiihdyttää massatuotantoprosessia. Perinteistä "pinoamispakkaus" -prosessia on vaikea varmistaa kiinteän elektrolyytin ja elektrodin välinen läheinen kosketus. Äskettäin kehitetty "kuumapuristusmuovaus" -tekniikka integroi kolme alle 150 astetta ja 10MPA -painetta, rajapinta -kosketuspinta -ala on yli 95%. Tietyn autoyhtiön kiinteän tilan akkukennojen koetuotantolinja hyväksyy tämän prosessin yhden linjan kapasiteetin ollessa 1GWH ja kustannusten vähentäminen 60% laboratoriovaiheeseen verrattuna, ja loi perustan laajamittaiselle sovellukselle vuonna 2027.