據美國能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)報道,基于富有前景的測試結果,電池研究人員建議固態電池行業關注等靜壓(isostatic pressing)技術,以促進下一代電池商業化。
固態電池的商業規模生產是電動汽車制造商的目標,因為這些電池有可能比目前市場上的鋰離子電池充電更快、使用更久、運行更安全。由此可見,實現規模化制造固態電池亦十分重要。“有效解決這些挑戰,可以超越目前的電池技術,使能量密集型固態電池滿足便攜式電子產品、電網存儲、電動汽車甚至航空應用迅速增長的需求。”
等靜壓技術的工作原理
等靜壓工作原理為帕斯卡定律:“在密閉容器內的介質(液體或氣體)壓強,可以向各個方向均等地傳遞。”該過程使用機器內的液體和氣體(如水、油或氬氣)在電池組件上施加一致的壓力,從而產生高度均勻的材料。
當電池充電或放電時,離子會穿過由金屬薄層構成的正極和負極之間的電解質。在為手機、電動汽車等各種設備提供動力的鋰離子電池中,電解質是一種液體,離子很容易穿過它。但如果電池層之間的分離受到損害,這種液體也會溢出或點燃。而且,通過等靜壓技術,可以產生均勻的固態電解質薄層,使層與層之間保持高度接觸,從而實現平穩的離子運動。該方法適用于不同溫度和壓力下的各種電池組合物。
研究結果還顯示,在低溫條件下,使用柔軟的電解質材料,等靜壓技術非常成功。因為軟電解質材料更易于加工,具有適合離子運動的晶體結構。相比之下,以前的電池等靜壓技術需要在非常極端的條件下完成,如非常高的溫度或室溫,但不能介于二者之間。
固態電池在電動汽車中的應用
“所有這些材料都有其獨特的優勢,研究人員希望加以利用,這就是為什么你可以在從室溫到幾千華氏度的任何地方進行等靜壓的重要性,這意味著你可以使用從聚合物到氧化物的任何材料,包括所有材料”。這種多功能性對于正在開發的各種固態電池設計和材料保持一致的制造工藝至關重要。
幾家領先的汽車公司已宣布打算在幾年內銷售使用固態電池的電動汽車。“毫無疑問,所有固態電池都在長途旅行中,但等靜壓技術如果可擴展,將提供一種沒有不切實際的情況下組裝電池層的方法。”等靜壓還可以將三個電池層制造為一個單一的致密系統,而不是在將它們連接起來之前單獨創建它們。“有效應對這一挑戰將使能量密集型固態電池能夠滿足便攜式電子產品、電網存儲、電動汽車甚至(航空)應用的新興需求,從而使當今的電池技術跨越到未來幾十年。”
“等靜壓操縱晶體結構的能力將對固態電池產生重大好處”。ORNL 的研究人員還在繼續進行測試,以了解哪種壓制溫度和壓力組合對不同材料最有效,以及這些因素如何影響質地。