Adana Adıyaman Afyon Ağrı Aksaray Amasya Ankara Antalya Ardahan Artvin Aydın Balıkesir Bartın Batman Bayburt Bilecik Bingöl Bitlis Bolu Burdur Bursa Çanakkale Çankırı Çorum Denizli Diyarbakır Düzce Edirne Elazığ Erzincan Erzurum Eskişehir Gaziantep Giresun Gümüşhane Hakkari Hatay Iğdır Isparta İstanbul İzmir K.Maraş Karabük Karaman Kars Kastamonu Kayseri Kırıkkale Kırklareli Kırşehir Kilis Kocaeli Konya Kütahya Malatya Manisa Mardin Mersin Muğla Muş Nevşehir Niğde Ordu Osmaniye Rize Sakarya Samsun Siirt Sinop Sivas Şanlıurfa Şırnak Tekirdağ Tokat Trabzon Tunceli Uşak Van Yalova Yozgat Zonguldak
İstanbul 26 °C
Gök Gürültülü

Katı hal pillerin geliştirilmesindeki son gelişmeleri gözden geçirme

20.03.2021
91
Katı hal pillerin geliştirilmesindeki son gelişmeleri gözden geçirme

Katı hal pilleri (SSB’ler), günümüzde piyasada bulunan çok çeşitli elektronik cihazlara güç sağlayan lityum iyon pillerle (LIB’ler) rekabet edebilecek yüksek enerji yoğunluklarına sahip yeni ortaya çıkan bir pil teknolojisidir. Klasik LIB’lerin aksine, SSB’ler, pilin içindeki anot ve katodu ayıran katı ‘seramik’ bazlı bir elektrolite sahiptir. Bazı pillerde bu tasarım lityumun anot olarak kullanılmasını sağlar.

SSB’ler ticarileştirilip büyük ölçekte uygulanmadan önce, araştırmacılar, kendi bileşenlerini üretmek ve gelecek vaat eden pil hücresi tasarımları geliştirmek için uygun maliyetli stratejiler belirlemelidir. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki (MIT) araştırmacılar, gelecekteki SSB tasarımlarında kullanılabilecek katı elektrolitleri ve elektrolit / katot tandemlerini işlemek için stratejileri özetleyen, bu alandaki son gelişmeleri özetleyen bir inceleme yazısı yazdılar.

“Geçmişteki çalışmaların çoğu pelet tipi katı elektrolitlere odaklandığından, SSB için mevcut maliyet tahminlerinde belirtilen üretim maliyetlerinin % 75’i, katı elektrolit işleme için yüksek sıcaklıkta klasik sinterleme tekniklerine dayandığından büyük ölçüde fazla tahmin edildi,” Moran Balaish, Çalışmayı gerçekleştiren araştırmacılardan biri, TechXplore’a e-posta yoluyla söyledi. “Sonuç olarak, bazı tahminler, oksit katı elektrolitlere dayalı SSB’nin maliyetli olduğu ve maliyet belirleyici faktörse LIB’lerle neredeyse rekabet edemeyeceği sonucuna varmıştır. Hücre montajını etkileyen düşük sıcaklıkta üretim seçenekleri sunmaktayız, bu da araştırmacıların yalnızca klasik Arrhenius transport Li + çizimleri ve elektrokimyasal stabilite pencerelerinin yanı sıra yeni ‘ısıl işlem bütçesi’nde de. ”

Rupp ve meslektaşları makalelerinde, istenen 1-20 um boyut aralığında düşük sıcaklıklarda seramik SSB elektrolit filmleri üretmek için artık çok sayıda fırsat olduğunu vurguluyorlar. Dahası, mevcut stratejilerin, katotlar ve elektrolitler üretmek için pahalı ortak sinter stratejilerinden kaçınarak SSB üretim maliyetlerini düşürebileceğini öne sürüyorlar.

“Örneğin, SSB oksit bazlı hücrelerin tasarımında ve üretiminde yüksek sıcaklıkta birlikte sinterlemeden kaçınılırsa, bu, katot materyalleri üretmek için daha az kobalt kullanımına izin verir ve bu da kaynaklar için jeo-sosyo-politik çatışmalardan kaçınmaya yardımcı olabilir. Gelecek, “diye açıkladı Rupp.

Gelecekte, Rupp ve meslektaşları tarafından tartışılan alternatif ortak sinterleme stratejileri, oksit bazlı Li bazlı SSB’lerin rekabet gücünü etkileyebilir. Ek olarak, elektrikli araçlar veya taşınabilir elektronikler için düşük sıcaklıktaki katı pillere odaklanan daha fazla araştırmanın yolunu açabilirler.

Rupp, “Bugüne kadar, akademideki çoğu laboratuar tabanlı araştırma, malzemeleri test etme ve hücreleri birleştirme yolu olarak sinterlenmiş pelet üretimini seçiyor” dedi. “İnce ama sağlam elektrolitlere sahip SSB’ler için gerçekçi ve rekabetçi tasarımları uyarlamak için bantların ve filmlerin geliştirilmesi gibi alternatifleri araştıran yalnızca birkaç grup var. Bunun, alanın nasıl geliştiğiyle ilgili birçok tarihi nedeni var, ancak dezavantajlı olan Peletlere sinterleme, bahsedilen Kobalt indirgenmiş katotların istenmeyen bir biçim faktörü ve yüksek işlem maliyetleriyle entegrasyonunu çok güçlü bir şekilde sınırlar, çünkü bu katot malzemelerinin çoğu, elektrolit bileşeniyle yüksek sıcaklıkta birlikte sinterlemede basitçe (faz diyagramına göre) kararsızdır. ”

Rupp ve meslektaşları tarafından yazılan inceleme makalesi, nihayetinde oldukça basit bir mesaj iletiyor. Daha spesifik olarak, SSB elektrolitlerinin sentezine, LIB’lerdeki klasik polimer ayırıcıların boyutlarına benzer boyutlara olanak tanıyan yollarla geçişin faydalarını vurgulamaktadır. Araştırmacılara göre böyle bir geçiş, hem SSB’lerin yapısını iyileştirmek hem de maliyetlerini düşürmek için değerli olacak, aynı zamanda kobalttan yapılmayan katotların çok daha geniş ölçekte entegrasyonu için yeni olanaklar açacak.

“Şaşırtıcı bir şekilde, ince ve sağlam elektrolitlere sahip SSB tasarımlarına teknolojik ihtiyaç olmasına rağmen, alanda hala birçok Arrhenius diyagramını ve mm boyutlu form faktörlü sinterlenmiş pelet verilerine dayanan elektrokimyasal pencereleri gösteren bir eksiklik vardı.” İlk yazarlardan biri Juan Carlos Gonzalez-Rosillo dedi.

Birkaç çalışma, SSB’lerin birkaç mikron kalınlığında bileşenlere sahip potansiyelini vurgulamış olsa da, şimdiye kadar çok az sayıda ekip, bu bileşenleri büyük ölçekte üretmek için etkili stratejiler önermiştir. Rupp ve meslektaşları makalelerinde, hipotezlerini geçtiğimiz birkaç yıl içinde toplanan araştırma kanıtlarına dayandırarak, nihayetinde bunun başarılabileceği yollar öneriyorlar.

“Makalemizde sorduğumuz sorulardan bazıları şunlardır: Bu bileşenleri geliştirmek için hangi yöntemler uygundur ve daha da önemlisi, bu yöntemler maliyetleri düşürmek için termal işlem bütçesini nasıl etkileyecek ve katot / elektrolit tertibatları için birlikte sinterlemeyi önlemek için seçenekler sunacaktır. “İncelememiz, diğer ekipleri ince ve sağlam SSB’lerin yanı sıra SSB’ler için elektrolitlerin alternatif üretimi için seçenekleri keşfetmeye motive etmek için mütevazı bir çabadır” diye ekledi Rupp.

Araştırmacılar, gelecekteki araştırmalarında SSB geliştirmenin iki ana yönüne odaklanmayı planlıyorlar. İlk olarak, SSB için katotları ve elektrolitleri birlikte sinterleme işlemlerine dayanmadan işlemek için kullanılabilecek çeşitli diğer stratejileri özetlemek istiyorlar.

Rupp, “Bunlar zorlu ve çok daha fazla zaman alan alternatifler, klasik tozdan pelete veya bant yollarına dayanan işlemlerden sonra geniş bir parametre alanı vardır ve katı kimyasalların stokiyometrilerini tutarken en iyi yoğunlaştırma protokolleri o kadar kolay değildir,” Rupp açıkladı. “Bununla birlikte, zorluklar çözülürse, bunlar değerli alternatif üretim yolları sunabilir ve bu, uzun vadede daha fazla Kobalt-indirgenmiş katot malzemesinin entegrasyonuna yönelik kapı açıcıdır.”

Rupp ve meslektaşları ayrıca, SSB’lerin büyük ölçekli geliştirilmesini ve uygulanmasını hızlandırmanın yollarını araştıran yeni çalışmalar yapmayı planlıyor. Şu anda, bir laboratuar ortamında SSB elektrolitlerinin tasarımı, geliştirilmesi ve üretiminin ortalama 10 yıldan fazla sürdüğü tahmin edilmektedir. Bu bileşenlerin boyut faktörlerinin azaltılması 5-10 yıl daha sürebilir. Bu süreler son derece uzundur ve daha hızlı işleme tekniklerine olan ihtiyacı vurgulamaktadır.

Rupp, “Bu çalışmamızda, özellikleri test etmek ve en iyi üretim yollarını daha hızlı bir şekilde optimum düzeye çıkarmak için seramik bileşiklerin ve bunların kimyasallarının hızlı taranması ve hızlı otomatik işlenmesi üzerine bir bakış açısı sunuyor ve araştırıyoruz” dedi. “Tozlar veya sinterlenmiş bileşikler yoluyla akademi dünyasından gelen geleneksel katı hal pil işleme yolları, hızlı tarama ve otomatik döngüleri çalıştırma için biraz karmaşıklık içerdiğinden, bu, tahmin edilebileceği kadar basit değildir. Çalışmamızı somut örnekler ve potansiyel analizlerle desteklemeyi umuyoruz. Hızlı döngü yapmak için daha uygun yöntemler ve gelecekteki katı hal pil tasarımları için bileşenleri ve hücreleri yapmak için en iyi işleme koşulunu arayan otomasyon. “

Üstteki Resim: Li metal tabanlı bir SSB’ye yönelik maliyet ve tasarım konuları. A) Li metal tabanlı SSB’nin tipik mimarisi. B) Bir SSB’nin LLZO tahminlerine ve malzeme maliyetlerine dayalı olarak bir LIB ile rekabet edebilmesi için tahmini maliyet projeksiyonu. Şu anda üretim olmadığı için işleme maliyetleri ‘mevcut durumda’ geçerli değildir. 20 µm’lik tam yoğun bir LLZO katı elektrolit (SE), mevcut malzeme maliyetlerini m 2 ABD doları cinsinden tahmin etmek için kabul edilmiştir. a) SSB için tahmini katı elektrolit üretim maliyetleri, referanslı bir SOFC teknolojisi (yani 7,5 m − 2 ABD doları) ve fiyatı 10–50 kg − 1 ABD doları olan 20 µm teorik olarak yoğun bir LLZO elektrolitinin işleme maliyetlerine dayanmaktadır. (veya 1–5 milyon ABD $ − 2) seri üretim varsayıldığında14. b) Polimer ayırma maliyeti, mikrolitre miktarındaki sıvı elektrolitin yaklaşık 22 ABD $ ‘lık bir miktarda işlenmesini içermez). sint., sinterlenmiş. c) Peletler43,63,80, bantlar110,111, ıslak-kimyasal50,88,101 ve vakum bazlı71,96 biriktirilmiş filmler için bildirilen katı hal elektrolitlerinin tipik kalınlık aralıkları. LAGP, Li-Al-Ge-PO4 tabanlı SE. Kaynak: Balaish ve diğerleri.


Daha fazla bilgi:
Katı hal pilleri için ince ancak sağlam elektrolitleri işleme. Doğa Enerjisi(2021). DOI: 10.1038 / s41560-020-00759-5.

ZİYARETÇİ YORUMLARI - 0 YORUM

Henüz yorum yapılmamış.