סוללות ליתיום של מצב מוצק נחשבות ל"טכנולוגיית הסוללה האולטימטיבית ", אך בעיית עכבת הממשק בין האלקטרוליט המוצק לאלקטרודות החיוביות והשליליות תמיד הייתה צוואר בקבוק המעכב את ייצורם המוני. בשנים האחרונות מדענים התגברו בהדרגה במכשול זה באמצעות שינוי ממשק, התאמת חומרים וחדשנות תהליכים, מה שמאפשר לתאי סוללה במצב מוצק לעבור מנתוני מעבדה לייצור ניסוי מסחרי.
1 שורש עכבת הממשק: אתגרים כפולים של פיזיקה וכימיה
סיבת השורש לעכבה ממשק נעוצה ב"מגע לקוי ". אלקטרוליטים מוצקים הם לרוב קרמיקה נוקשה (כמו LLZO), עם פערים פיזיים ביניהם וחומרי אלקטרודה גמישים, וכתוצאה מכך שטח מגע של 30% -50% בלבד, מה שמפריע לנתיב ההולכה של יוני ליתיום. מאתגר עוד יותר הוא נושא התאימות הכימית. כאשר אלקטרוליטים גופריים באים במגע עם קתודות ניקל גבוהות, מתרחשות תגובות ממשק כדי לייצר שלבי בידוד כמו li ∝ po ₄, מה שגורם לעכבה לעלות ברציפות במהלך האופניים. לאחר 50 מחזורים, עכבת הממשק של תא סוללה של מצב מוצק מסוים גולשת פי שלושה, וריקבון הקיבולת מגיע ל -40%.
השפעת הטמפרטורה על עכבת הממשק היא משמעותית יותר. המוליכות היונית של אלקטרוליטים מוצקים היא רגישה לטמפרטורה. ב -20 מעלות, המוליכות של אלקטרוליטים קרמיים של LLZO יורדת מ- 10 ⁻⁴ S/ס"מ בטמפרטורת החדר ל -10 ס"מ/ס"מ, ואילו עכבת הממשק עולה ביותר מעשר פעמים, וכתוצאה מכך התא כמעט ולא יכול לפעול בטמפרטורות נמוכות.
2 טכנולוגיית שינוי ממשק: בניית ערוצי הולכה יעילים
טכנולוגיית "שכבת חיץ שיפוע" שפותחה על ידי צוות האקדמיה הסינית למדעים מציגה שכבה מורכבת של Li ∝ Po ₄ - Li ₂ Co ∝ בין האלקטרוליט לאלקטרודה החיובית, שמבטלת פערים פיזיים ומדכאת תגובות צדדיות, ומפחיתה את עכבת הממשק ב -70% ומגדילה את מוליכות הטמפרטורה של התא של תאי הסוללה ל 1 ס"מ/סמ"ק, CM. חברה יפנית מאמצת את טכנולוגיית "תצהיר השכבה האטומית" כדי להפקיד סרט עובי של 5 ננומטר ₂ O3 על פני האלקטרוליט, המשפר את כוח המליטה הממשקית כמו "דבק מולקולרי" וגורם לחיי המחזור לעלות על 1000 פעמים.
טיפול לפני הליטה הוא המפתח לפיתרון בעיית ממשק האלקטרודה השלילית. השתלה מראש של ליתיום מתכתי על פני השטח של אלקטרודה שלילית מבוססת סיליקון יוצרת שכבת סגסוגת ליתיום יציבה, שיכולה להימנע מתגובה ישירה בין אלקטרוליט מוצק לסיליקון. עכבת ממשק האלקטרודה השלילית של תא סוללה מוצק שהוגדר מראש מופחתת ב- 60%, ויעילות פריקת המטען הראשונה מוגברת מ- 75%ל- 92%.
3 התאמת חומרים וחדשנות תהליכים: האצת ייצור ויישום המוני
עיצוב תאימות חומרים הוא קריטי לא פחות. לאלקטרוליטים מוצקים של סולפיד (כמו Li ₇ P ∝ S ₁₁) יש תאימות לקויה עם קתודות ניקל גבוהות. מיזם מסוים פיתח "קתודה עשירה במנגן" (NI60% MN30% CO10%) כדי להפחית את התגובה עם הגופרית ולהגדיל את חיי המחזור מ- 200 ל- 1000 מחזורים. אלקטרוליטים פולימריים (כגון PEO) תואמים יותר לפוספט ליתיום ברזל, ותאי הסוללה במצב מוצק בשילוב עם השניים יכולים לשמור על קצב שמירת קיבולת של 85% גם לאחר 1500 מחזורים בגובה 60 מעלות, מה שהופך אותם לפיתרון פוטנציאלי בתחום האחסון האנרגיה.
חדשנות טכנולוגית מאיצה את תהליך הייצור ההמוני. תהליך "אריזת הערימה" המסורתי קשה להבטיח קשר הדוק בין האלקטרוליט המוצק לאלקטרודה. הטכנולוגיה "דפוס דחיקה חמה" שפותחה לאחרונה משלבת את השלושה מתחת לגיל 150 מעלות ולחץ 10MPa, עם אזור מגע ממשק של מעל 95%. קו הייצור של ניסוי הסוללה במדינה המוצקה של חברת מכוניות מסוימת מאמצת תהליך זה, עם קיבולת קו יחידה של 1GWH והפחתת עלויות של 60% בהשוואה לשלב המעבדה, ומניחה את הבסיס ליישום בקנה מידה גדול בשנת 2027.