Прорив Mizzou 4D STEM: підвищення ефективності твердотільного акумулятора

Твердотільні акумулятори сьогодні в центрі уваги. Він неухильно набирає обертів із споживчою електронікою та електромобілями, становлячи найбільшу частку світового ринку твердотільних акумуляторів у 2022 році.

За оцінками дослідників, використання твердотільних акумуляторів у секторі електромобілів зростатиме експоненціально протягом наступного десятиліття, досягнувши розміру ринку 4.3 млрд. Дол. США до 2032 року. Є причини, чому твердотільні батареї врівноважені для експоненціального зростання. По суті, вони стосуються технології акумуляторів, яка використовує твердий електроліт замість рідких електролітів, як це використовується в літій-іонних технологіях. 

Твердотільні елементи складаються з катода, сепаратора та анода. Катод міг бути зробленим з тими ж сполуками, що й літій-іонний акумулятор. Навпаки, сепаратор загалом виготовляється з кераміки або твердого полімеру, який також працює як електроліт. Анод зроблено з металевого літію. 

Під час заряджання частинки літію в цих акумуляторах рухаються від катода через атомну структуру сепаратора та електричний контакт анода, утворюючи суцільний шар чистого літію. Цей процес гарантує, що анод складається виключно з частинок літію та має менший об'єм, ніж анод літій-іонної технології з графітовою структурою. 

Хоча ці акумулятори все ще перебувають у фазі розвитку, вони обіцяють численні покращення порівняно з поточними батареями, включаючи більшу щільність енергії, довший термін служби, підвищену безпеку та менший розмір. Багатообіцяюча пропозиція твердотільних акумуляторів зробила його привабливим місцем для науковців, щоб досліджувати далі та бачити, що може робити з ним.

У нещодавньому випуску новин про дослідження Університету Міннесоти стверджується, що дослідники «злом коду на твердотільних акумуляторах.” У наступних сегментах ми розглянемо причини цієї високої претензії. 

Чого досягли дослідники Університету Міннесоти

Дослідження під назвою «Розуміння Формування межфази катод–електроліт у твердотільних літій-іонних батареях за допомогою 4D-STEM¹, демонструє простий робочий процес для вивчення утворення інтерфази катод–електроліт (CEI) за допомогою 4D-скануючої трансмісійної електронної мікроскопії (4D-STEM), яка не вимагає складання SS-LIB.

У точках контакту між твердим електролітом і активним матеріалом катода в твердотільних літій-іонних батареях утворюються міжфазні шари, що збільшують опір елемента. Дослідники усувають необхідність у збірці SS-LIB і показують переваги MoCl5:EtOH як хімічного делітіюючого агента разом із хімічно делітованим порошком LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) у контакті з порошком Li10GeP2S12 (LGPS) SE, як сурогатом SS-LIB CEI.

Дослідники відобразили склад і структуру шарів CEI за допомогою 4D-STEM, енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії (EDS) і аналіз функції розподілу електронних пар (ePDF). Їхні висновки свідчать про те, що покриття, які блокують транспортування аніонів, одночасно дозволяючи транспортувати літій-іони та електрони, можуть запобігти утворенню міжфазних фаз і зменшити імпеданс у SS-LIB. 

Описуючи природу покриття, Янг сказав:

«Покриття мають бути досить тонкими, щоб запобігти реакціям, але не настільки товстими, щоб блокувати потік літій-іонів. Ми прагнемо підтримувати високі характеристики твердого електроліту та катодних матеріалів. Наша мета — використовувати ці матеріали разом, не жертвуючи їх продуктивністю заради сумісності».

Усе це може здатися занадто технічним, але є легша для розуміння перспектива щодо досягнень дослідження.

Клацніть тут, щоб дізнатися про прорив акумуляторів, який робить твердотільні варіанти на крок ближчими до реальності.

Боротьба з проблемою рідкого електроліту

Літій-іонні батареї покладаються на рідкі електроліти, які можуть спалахнути в разі пошкодження або перегріву. Дослідники з Університету Міссурі вирішили цю проблему, розробивши ефективні методи заміни рідких або гелеподібних електролітів твердими електролітами.

Пояснюючи, як працює їхнє рішення, доцент Маттіас Янг, який має спільні посади в Інженерному коледжі Міццу та Коледжі мистецтв і наук, сказав наступне:

«Коли твердий електроліт торкається катода, він реагує та утворює міжфазний шар товщиною близько 100 нанометрів — у 1,000 разів менший за ширину однієї людської волосини. Цей шар блокує легкий рух іонів літію та електронів, збільшуючи опір та погіршуючи продуктивність акумулятора».

Найзначніший прорив

Однак найважливішим досягненням дослідницької групи стало використання чотиривимірної скануючої просвічувальної електронної мікроскопії (4D STEM). Революційним досягненням стало те, що вони змогли досліджувати атомну структуру батареї, не розбираючи її, що дозволило їм отримати фундаментальне розуміння хімічних реакцій всередині та визначити ступінь пошкодження, за яке відповідає міжфазний шар. 

З точки зору потенційних користувачів цих батарей, дослідження та його наслідки мають великий потенціал. 

Очікувані реальні переваги

Світові автовиробники в захваті від твердотільних акумуляторів, оскільки вони забезпечать більшу безпеку та термічну стабільність. Дослідження, яке ми щойно обговорили, є проривом у цьому напрямку — надзвичайно значущим кроком уперед. Крім того, дослідження може призвести до покращення безпеки, продуктивності, терміну служби батарей, вартості та їх впливу на навколишнє середовище. 

Вчені з усього світу з оптимізмом сподіваються, що нове покоління твердотільних акумуляторів, які з’являться в результаті таких досліджень, зрештою подолає два ключові недоліки звичайних літій-іонних. Багаті нікелем катоди дозволять виробництву акумуляторів використовувати менше кобальту в катоді. По-друге, твердотільна хімія дозволить виробникам батарей використовувати металевий літій в аноді.

Перший фактор має вирішальне значення для розвитку цього сектора, оскільки кобальт є дефіцитним, дорогим і важким для видобутку. Він походить із країн із слабким законодавством щодо видобутку корисних копалин. Дослідники вважають, що використання літію в аноді є значним, оскільки він підвищує щільність енергії та сприяє безпеці.

Говорячи про використання металевого літію, Хелена Брага, ад’юнкт-професор інженерної фізики в Університеті Порту в Португалії та відомий дослідник, який працював з Нобелівська премія переможець Джон Гуденф про твердотільні батареї десять років тому сказав:

«Саме тому ми почали цю (твердотільну) подорож, щоб ми могли використовувати металевий літій».

Загалом ця технологія та методика, заснована на дослідженнях, можуть призвести до вдосконалення конструкції акумуляторів із покращеною продуктивністю та безпекою, що потенційно вплине на побутову електроніку та електромобілі протягом 3-7 років.​

Однак реальна цінність таких досліджень залежатиме від того, наскільки успішно компанії та підприємства, що виробляють твердотільні батареї, запровадять їх і розширять. У наступному сегменті ми обговоримо одну з таких компаній, Solid Power, Inc. (SLDP ), яка спеціалізується на технології повністю твердотільних батарей, зосереджуючись на безпечніших і ефективніших рішеннях для зберігання енергії.​

Solid Power, Inc. (SLDP ) 

Solid Power позиціонує себе як постачальника технологія повністю твердотільних батарейних елементів що пропонує ключові покращення порівняно з сучасною традиційною літій-іонною технологією на рідинній основі та гібридними елементами наступного покоління, включаючи високу енергоємність, підвищену безпеку, довший термін служби та економію коштів. 

Акумулятори Solid Power дозволяють використовувати електроди більшої ємності, такі як кремній з високим вмістом та металевий літій, для досягнення високої енергетичної продуктивності. Вони стають безпечнішими, оскільки усувають потребу в реактивних та летких рідких та гелевих компонентах. Як наслідок, вони можуть витримувати та працювати за надзвичайно високих температур. Компанія вважає, що їхні акумулятори можуть запропонувати перевагу у вартості на 15-35% порівняно з існуючими літій-іонними акумуляторами на рівні блоків. 

У наступних розділах ми обговоримо три різновиди твердотільних акумуляторів Solid Power. 

Кремнієвий EV Cell 

Ці елементи оснащені кремнієвим анодом із високим вмістом кремнію, що забезпечує високу швидкість заряду та здатність витримувати низькі температури. Ці батареї живляться за допомогою фірмових твердих електролітів на основі сульфідів компанії. Зрештою, її катод NMC відповідає галузевому стандарту та є комерційно зрілим. 

літій-метал

Акумулятори Solid Power Lithium Metal постачаються з металевим літієм і високоенергетичним анодом. Ця категорія акумуляторів також живиться за допомогою запатентованих твердих електролітів Solid Power на основі сульфідів та стандартних для промисловості та комерційно зрілих катодів NMC. 

Осередок реакції перетворення 

Нарешті, ми підійшли до категорії акумуляторів із реакційними елементами перетворення, які постачаються з металевим літієм, високоенергетичним анодом, наддешевими твердими електролітами на основі сульфіду та катодом типу високої питомої конверсії енергії. 

Технологія акумуляторів Solid Power має тверді електроліти на основі сульфідів як одну з найнадійніших основ. Технологія забезпечує повне видалення легкозаймистого рідкого електроліту та полімерного розділювального шару в традиційному літій-іонному акумуляторі. і замінює це суцільний шар, який, незважаючи на те, що він тонкий, діє як бар’єр, який запобігає контакту анода та катода один з одним, що може призвести до короткого замикання батареї. Він також діє як електропровідний електроліт. Твердий електроліт Solid Power на основі сульфідів має найкраще поєднання провідності, технологічності та продуктивності на рівні елемента. 

Основна технологія твердого електроліту Solid Power на основі сульфідів використовує матеріали, поширені на Землі. Компанія планує масштабувати виробництво електролітів, щоб до 800,000 року щорічно живити 2028 XNUMX електрифікованих транспортних засобів за допомогою повністю твердотільних акумуляторних елементів.

SLDP: останні оновлення

У грудні 2024 року компанія Solid Power оголосила про продовження партнерства з Ford до 2025 року. Третя поправка до угоди про спільну розробку відображала постійне зобов’язання між Solid Power і Ford розширювати межі продуктивності акумуляторів електромобілів. 

У звітах продовження партнерства називалося значним кроком у роботі Solid Power щодо комерціалізації технології твердотільних акумуляторів. Розширене партнерство з Ford, провідним світовим автовиробником, підкреслило потенційний вплив технології Solid Power на автомобільну промисловість.

У січні 2025 року компанія уклала а значну фінансову угоду з Міністерством енергетики США (DOE). Компанія оголосила, що залучила до 50 мільйонів доларів США для розширення можливостей виробництва твердого електроліту на основі сульфідів, необхідного для акумуляторів нового покоління.

Фінансування надійшло в рамках Угоди про допомогу з датою набрання чинності 1 січня 2025 року, яка передбачала, що Solid Power внесе 60 мільйонів доларів із своїх коштів у рамках угоди про розподіл витрат. Інвестиції був націлений при підтримці встановлення обладнання, необхідного для безперервного виробництва, яке очікується для збільшення масштабів виробництва компанії.

В рамках угоди Solid Power було потрібно дотримуватися конкретних вимог щодо звітності та зобов'язань щодо дотримання вимог. Підтримка Міністерства енергетики США підкреслила важливість розвитку технології акумуляторів для накопичення енергії та електромобілів – секторів, які мають вирішальне значення для переходу до низьковуглецевої економіки.

Партнерство компанії з Міністерством енергетики стало стратегічним кроком у прискоренні комерціалізації твердотільних акумуляторів, які обіцяли вищу щільність енергії, підвищену безпеку та довший термін служби порівняно зі звичайними літій-іонними акумуляторами.

На фінансовому фронті, Solid Power заробила 20.1 мільйона доларів доходу протягом 2024 року збільшився на 2.7 мільйона доларів США порівняно з 2023 роком. Операційні витрати становили 125.5 мільйона доларів США у 2024 році проти 108.0 мільйона доларів США у 2023 році, що було зумовлено збільшенням витрат на дослідження та розробки для покращення ефективності конструкцій електроліту та елементів, виробництва електроліту, закупівлі обладнання для підтримки угод SK On та операцій з масштабування, включаючи відкриття корейського виробництва. Операційний збиток за 2024 рік склав $105.3 млн, а чистий збиток — $96.5 млн, або $0.54 на акцію.

«У 2025 році Solid Power продовжуватиме розвивати технологію ASSB, покращуючи ефективність електроліту завдяки зворотному зв’язку від нашої команди розробників клітин, виконуючи вимоги партнерів і запити клієнтів, продовжуючи впроваджувати інновації як у технологіях електроліту, так і в технологіях елементів, а також підтримувати фінансову дисципліну, одночасно стратегічно інвестуючи в розвиток і можливості».

– Джон Ван Скотер, президент і головний виконавчий директор Solid Power

Твердотільний акумулятор: погляд у майбутнє

Майбутнє твердотільних акумуляторів виглядає захоплюючим, насиченим інноваційним потенціалом. У 2024 році, наприклад, дослідники з Гарвардської школи інженерії та прикладних наук імені Джона А. Полсона (SEAS) розробив новий літій-металевий акумулятор які могли б бути стягненим і розряджався принаймні 6,000 разів — більше, ніж будь-який інший елемент мішкової батареї — і міг бути перезаряджений за лічені хвилини.

За словами Сінь Лі, доцента кафедри матеріалознавства в SEAS та старшого автора статті, в якій детально описано дослідження та опубліковано в Nature Materials:

«Акумулятори з літієвим анодом вважаються Святий Грааль акумуляторів, тому що вони мають у десять разів ємність комерційних графітових анодів і можуть значно збільшити відстань їзди електромобілів».

У своєму дослідженні Лі та його команда зупинили утворення дендритів, використовуючи частинки кремнію мікронного розміру в аноді для обмеження реакції літіювання та полегшення однорідного нанесення товстого шару металевого літію. Коли іони літію рухаються від катода до анода під час заряджання, реакція літіювання був звужений на неглибокій поверхні, і іони прикріплювалися до поверхні частинки кремнію, не проникаючи далі. 

«У нашому дизайні металевий літій обертається навколо частинок кремнію, як тверда шоколадна шкаралупа навколо ядра лісового горіха в шоколадному трюфелі».

- Лі

Покриті частинки утворювали однорідну поверхню, забезпечуючи рівномірний розподіл щільності струму та запобігаючи росту дендритів. А оскільки на рівній поверхні можна швидко нанести покриття та зняти зачистку, акумулятор можна зарядити лише за 10 хвилин. 

Дослідники розробили версію батареї розміром з поштову марку, яка в 10-20 разів більша, ніж монетна клітинка, виготовлена ​​в більшості університетських лабораторій. Акумулятор зберіг 80% своєї ємності після 6,000 циклів, перевершуючи інші пакетні батареї тієї ж ліги. У процесі дослідники виявили десятки інших матеріалів, які могли б потенційно дають аналогічну продуктивність. За словами Лі:

«Попередні дослідження показали, що інші матеріали, включаючи срібло, можуть служити хорошими матеріалами на аноді для твердотільних батарей».

Щоб зробити процес універсальним, команда дослідників опублікувала статтю про порівняльний аналіз відтворюваності продуктивності повністю твердотільних елементів батареї.² Дослідники помітили, що міжлабораторна порівняльність і відтворюваність циклічної продуктивності повністю твердотільних елементів батареї були погано вивчені через відсутність стандартизованих налаштувань і параметрів складання.

Дослідники запропонували набір параметрів для звітування про результати циклічної роботи повністю твердотільного акумулятора та виступали за звітування даних у трьох примірниках. Наприклад, початкова напруга розімкнутого ланцюга 2.5 і 2.7 В порівняно з Li+/Li була хорошим провісником успішного циклу для клітин, які використовують ці електроактивні матеріали.

Стандартизація виробництва твердотільних батарей має вирішальне значення, оскільки їх використання різноманітне. Хоча виробники електромобілів є одними з найбільш зацікавлених у розробці ефективних твердотільних акумуляторів Дослідники NASA повідомили про прогрес з розробкою інноваційної батареї, яка була легшою, безпечнішою та працювала краще, ніж батареї, які сьогодні зазвичай використовуються в автомобілях і великій електроніці. 

Дослідники NASA експериментували з інноваційними матеріалами, які ще не використовувався в батареях. Команда рано зрозуміла, що твердотільна архітектура дозволяє їм змінити конструкцію акумулятора та упаковку, зменшивши вагу та збільшивши ємність накопичувача енергії. Вони продемонстрували, що твердотільні батареї можуть живити об’єкти з величезною потужністю 500 ват-годин на кілограм, що вдвічі перевищує потужність електромобіля.

«Ця конструкція не лише зменшує вагу акумулятора на 30-40 відсотків, але й дозволяє нам подвоїти або навіть потроїти енергію, яку він може зберігати, що значно перевищує можливості літій-іонних акумуляторів, які…» вважаються бути найсучаснішим».

– Рокко Віджано, головний дослідник SABERS

SABERS – це абревіатура від спеціально розробленої програми NASA «Твердотільні батареї для покращеної перезаряджаності та безпеки».

Як випливає з назви, майбутнє твердотільних батарей буде процвітати завдяки таким аспектам швидкої перезарядки та безпеки. Виробники дедалі частіше шукатимуть акумулятори, які заряджатимуться швидше, не роблячи процес небезпечним.

Натисніть тут, щоб переглянути список 5 найкращих запасів твердотільних батарей.