Μια ερευνητική εργασία που διεξήχθη από επιστήμονες από την Ιαπωνία θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατασκευή μπαταριών στερεάς κατάστασης επόμενης γενιάς. Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Tohoku της Ιαπωνίας επιβεβαίωσαν ότι οι τεχνικές πυροσυσσωμάτωσης με υποβοήθηση πίεσης, όπως η θερμή συμπίεση (HP) και η πυροσυσσωμάτωση με σπινθήρα πλάσματος (SPS), βρέθηκαν αποτελεσματικές για την ανάπτυξη μπαταριών επόμενης γενιάς.
Στερεοί ηλεκτρολύτες
Οι ερευνητές τόνισαν ότι οι μπαταρίες λιθίου-μετάλλου στερεάς κατάστασης (SSLMB) προσελκύουν την παγκόσμια προσοχή ως τεχνολογία επόμενης γενιάς που υπόσχεται υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα και μεγαλύτερη ασφάλεια από τις σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Η ομάδα επεσήμανε επίσης ότι μεταξύ των πιο υποσχόμενων υποψηφίων για τους στερεούς ηλεκτρολύτες τους είναι το οξείδιο Li₇La₃Zr₂O₁₂ τύπου γρανάτη (LLZO), το οποίο συνδυάζει υψηλή ιοντική αγωγιμότητα με ισχυρή χημική σταθερότητα. Ωστόσο, η κατασκευή λεπτών, πυκνών και χωρίς ελαττώματα κεραμικών μεμβρανών αποτελεί εδώ και καιρό μια πρόκληση, περιορίζοντας την εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα.
Συμβατικά, οι στερεοί ηλεκτρολύτες οξειδίου απαιτούν παρατεταμένη πυροσυσσωμάτωση υψηλής θερμοκρασίας, που συχνά διαρκεί αρκετές ώρες σε θερμοκρασίες άνω των 1000 °C. Αυτές οι συνθήκες οδηγούν σε εξάτμιση λιθίου, υψηλότερο κόστος παραγωγής και κακή επεκτασιμότητα. Για να αντιμετωπίσουν αυτό το πρόβλημα, οι ερευνητές έχουν στραφεί σε τεχνικές πυροσυσσωμάτωσης με υποβοήθηση πίεσης, όπως η θερμή συμπίεση (HP) και η πυροσυσσωμάτωση με σπινθήρα πλάσματος (SPS). Η SPS, ειδικότερα, συχνά πιστεύεται ότι προσφέρει μοναδικά πλεονεκτήματα λόγω ενός υποτιθέμενου «φαινομένου πλάσματος», σύμφωνα με δελτίο τύπου.
Και οι δύο μέθοδοι επιτυγχάνουν σχεδόν πλήρη συμπύκνωση
Δημοσιευμένη στο Small, η μελέτη συνέκρινε συστηματικά τη θερμή συμπίεση (HP) και την SPS στην επεξεργασία LLZO. Τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν ότι και οι δύο μέθοδοι επιτυγχάνουν σχεδόν πλήρη συμπύκνωση (~98%) σε λιγότερο από πέντε λεπτά, χωρίς σημαντικές διαφορές στην ιοντική αγωγιμότητα ή τη μικροδομή. Οι ερευνητές επιβεβαίωσαν ότι η συμπύκνωση καθοδηγείται από την εφαρμοζόμενη πίεση και θερμότητα, όπως και στην θερμή συμπίεση, όχι από κάποιο ειδικό «φαινόμενο πλάσματος».
Η SPS, μια προηγμένη τεχνική κατασκευής, χρησιμοποιείται στην κατασκευή μπαταριών για την ταχεία συμπύκνωση υλικών σε σκόνη, όπως στερεών ηλεκτρολυτών και υλικών καθόδου για μπαταρίες στερεάς κατάστασης. Η θερμή συμπίεση χρησιμοποιεί ταυτόχρονη θερμότητα και πίεση για να βελτιώσει την πυκνότητα, την αγωγιμότητα και την απόδοση των εξαρτημάτων της μπαταρίας, όπως τα στρώματα ηλεκτροδίων και τα στοιχεία.
«Τα ευρήματά μας δείχνουν ότι η SPS δεν είναι εγγενώς ανώτερη από την θερμή συμπίεση», δήλωσε ο Cheng. «Αυτά τα στοιχεία βοηθούν τόσο τους ερευνητές όσο και τους κατασκευαστές να λαμβάνουν τεκμηριωμένες αποφάσεις με βάση το κόστος, τον εξοπλισμό και την επεκτασιμότητα, παρά με βάση παρανοήσεις.»
Το αποτέλεσμα της μελέτης αμφισβητεί μια ευρέως διαδεδομένη υπόθεση στον τομέα και υπογραμμίζει ότι είτε η HP είτε η SPS μπορούν να επιλεγούν με βάση το κόστος, τη διαθεσιμότητα εξοπλισμού και τις ανάγκες επεκτασιμότητας. Για τους κατασκευαστές και τους ερευνητές που εργάζονται για την προώθηση των SSLMB, το μήνυμα είναι σαφές: και οι δύο προσεγγίσεις είναι εξίσου αποτελεσματικές για στερεούς ηλεκτρολύτες οξειδίου όπως το LLZO.
Πιο οικονομικές αποδόσεις
Διαλύοντας τον μύθο της ανωτερότητας των SPS, αυτή η μελέτη ανοίγει την πόρτα σε πιο ευέλικτες και οικονομικά αποδοτικές στρατηγικές παραγωγής, επιταχύνοντας την πορεία προς ασφαλέστερες, υψηλής απόδοσης μπαταρίες στερεάς κατάστασης, σύμφωνα με τη μελέτη.
Οι ερευνητές αποκάλυψαν ότι η ανάλυση επιβεβαιώνει επίσης ότι η πύκνωση διέπεται κυρίως από τη θέρμανση με υποβοήθηση πίεσης. Αυτή η εργασία προσφέρει πληροφορίες σχετικά με τη βελτιστοποίηση της υψηλής θερμοκρασίας σύντηξης πυκνών στερεών ηλεκτρολυτών οξειδίου για μπαταρίες μετάλλων στερεάς κατάστασης επόμενης γενιάς.
www.worldenergynews.gr
