Les bateries de liti de liti sòlides es consideren la "tecnologia de bateries definitiva", però el problema d'impedància de la interfície entre l'electròlit sòlid i els elèctrodes positius i negatius sempre ha estat un coll d'ampolla que dificulta la seva producció massiva. En els darrers anys, els científics han superat gradualment aquest obstacle mitjançant la modificació de la interfície, la concordança de materials i la innovació de processos, permetent que les cèl·lules de bateries d’estat sòlid passin de dades de laboratori a la producció d’assaigs comercials.
1 L'arrel de la impedància de la interfície: reptes dobles de la física i la química
La causa principal de la impedància de la interfície rau en el "contacte deficient". Els electròlits sòlids són majoritàriament ceràmiques rígides (com LLZO), amb llacunes físiques entre ells i materials d’elèctrodes flexibles, donant lloc a una zona de contacte del 30% -50%, cosa que dificulta la ruta de conducció dels ions de liti. Encara és més difícil el tema de la compatibilitat química. Quan els electròlits de sulfur entren en contacte amb càtodes alts de níquel, es produeixen reaccions de la interfície per generar fases aïllants com Li ∝ Po ₄, provocant que la impedància augmenti contínuament durant el ciclisme. Després de 50 cicles, la impedància de la interfície d’una determinada cèl·lula de bateries d’estat sòlid sulfur augmenta tres vegades i la desintegració de la capacitat arriba al 40%.
La influència de la temperatura en la impedància de la interfície és més significativa. La conductivitat iònica dels electròlits sòlids és sensible a la temperatura. A -20 grau, la conductivitat dels electròlits ceràmics LLZO disminueix de 10 ⁻⁴ S/cm a temperatura ambient fins a 10 ⁻⁶ S/cm, mentre que la impedància de la interfície augmenta en més de 10 vegades, cosa que fa que la cèl·lula gairebé no pugui funcionar a temperatures baixes.
2 Tecnologia de modificació de la interfície: Construcció de canals de conducció eficients
La tecnologia de "capa de tampó de gradient" desenvolupada per l'equip de l'Acadèmia de Ciències xineses introdueix una Li ∝ Po ₄ - Li ₂ Co ∝ Capa composta entre l'electròlit i l'elèctrode positiu, que elimina les llacunes físiques i suprimeix les reaccions laterals, reduint la impedància de la interfície del 70% i augmentant la conductivitat de la temperatura ambient de la bateria a 1ms/cm, a prop del nivell de líquid. Una empresa japonesa adopta la tecnologia de "deposició de capa atòmica" per dipositar una pel·lícula al ₂ O3 de 5nm de gruix a la superfície de l'electròlit, que millora la força d'enllaç interfacial com una "cola molecular" i fa que la vida del cicle superi 1000 vegades.
El tractament pre -litiació és la clau per resoldre el problema de la interfície d’elèctrodes negatius. La implantació prèvia del liti metàl·lic a la superfície de l’elèctrode negatiu basat en silici forma una capa d’aliatge de liti estable, que pot evitar la reacció directa entre l’electròlit sòlid i el silici. La impedància de la interfície d’elèctrodes negatives d’una cèl·lula de bateria sòlida pre -litiada es redueix en un 60%i la primera eficiència de descàrrega de càrrega augmenta del 75%al 92%.
3 Material i innovació de processos: accelerar la producció i implementació en massa
El disseny de compatibilitat de material és igualment crucial. Els electròlits sòlids de sulfur (com Li ₇ P ∝ S ₁₁) tenen una mala compatibilitat amb els càtodes alts de níquel. Una certa empresa ha desenvolupat un "càtode ric en manganès" (NI60% MN30% CO10%) per reduir la reactivitat amb els sulfurs i augmentar la vida del cicle de 200 a 1000 cicles. Els electròlits de polímer (com el PEO) són més compatibles amb el fosfat de ferro de liti, i les cèl·lules de bateries d’estat sòlid combinades amb les dues poden mantenir una taxa de retenció de capacitat del 85% fins i tot després de 1500 cicles a 60 graus, convertint-les en una solució potencial en el camp de l’emmagatzematge d’energia.
La innovació tecnològica accelera el procés de producció massiva. El tradicional procés de "embalatge d'apilament" és difícil d'assegurar un contacte estret entre l'electròlit sòlid i l'elèctrode. La nova tecnologia de "modelat de premsa en calent" està integrada en la pressió de tres menys de 150 graus i 10MPa, amb una àrea de contacte de la interfície superior al 95%. La línia de producció de proves de cèl·lules de bateries en estat sòlid d’una determinada empresa de vehicles adopta aquest procés, amb una única capacitat de línia d’1GWH i una reducció de costos del 60% en comparació amb l’etapa de laboratori, posant les bases per a l’aplicació a gran escala el 2027.