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Setting the stage for solid-state battery success

Die Voraussetzungen für den Erfolg von Festkörperbatterien schaffen

by nwna_de
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Beschleunigung des Scale-up neuer Batterietechnologien durch Partnerschaften zwischen Universitäten, nationalen Labors und der Industrie. Wichtigkeit der Förderung des Wissens- und Know-how-Transfers durch privat-öffentlich finanzierte Kooperationsanstrengungen, um die üblichen Todestäler riskanter Start-up-Unternehmen zu vermeiden, in denen wichtiges geistiges Eigentum und Entwicklungs-Know-how verloren gehen. Anerkennung: Joule

Batterieforscher und andere Ingenieure der University of California San Diego haben in Zusammenarbeit mit LG Energy Solution einen zukunftsweisenden Artikel in der Zeitschrift veröffentlicht Joule.

In dem Artikel skizzieren die Forscher drei Kategorien von technischen Herausforderungen, die gelöst werden müssen, um Festkörperbatterien vom Labor in die großindustrielle Fertigung zu überführen. Diese drei Herausforderungen sind Vorstufen, Verarbeitung und Druck.

Die in diesem Artikel enthaltene Forschung und Vordenkerrolle wurden durch die Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren der UC San Diego und der LG Energy Solution im Rahmen eines Frontier Research Laboratory Program sowie durch die Finanzierung durch die US National Science Foundation (NSF) ermöglicht.

Herausforderungen in den Bereichen Engineering und Skalierbarkeit bleiben bestehen

Die Treiber für diesen Artikel sind jüngste wissenschaftliche Entwicklungen, die Wege für Festkörperbatterien mit Energiedichten geschaffen haben, die deutlich höher sind als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Einige dieser Fortschritte umfassen dicke Trockenkathodenelektroden sowie die Verwendung von rein metallischen Legierungen oder Alkalimetallanoden. Mit diesen und damit verbundenen Fortschritten liegen die massiven verbleibenden Herausforderungen in der Technik und Skalierbarkeit, sowohl in Bezug auf die Herstellung der Batterien selbst in ausreichend großen Formfaktoren als auch in Bezug auf die Herstellung dieser Batterien in großem Maßstab.

Als Vorläufer, Verarbeitung und Druck werden die drei Bereiche hervorgehoben, in denen technische Herausforderungen gelöst werden müssen, um große Schritte in Richtung des Verbrauchererfolgs von Festkörperbatterien zu machen.

Vorstufen von Festelektrolyten

Damit Festkörperbatterien auf Verbrauchermärkten wettbewerbsfähig sind, müssen sie wettbewerbsfähige Kosten haben ($ pro kWh). Einer der Engpässe dabei sind Festelektrolyte, die eine Schlüsseltechnologie für Festkörperbatterien darstellen. Derzeit liegen die Kosten von Festelektrolyten pro Kilogramm um zwei Größenordnungen höher als die von Flüssigelektrolyten.

Zwei Hauptgründe für den hohen Preis von Festelektrolyten sind: 1) unausgereifte Lieferketten für Vorläufer; und 2) ein Mangel an Verständnis für skalierbare Synthesemethoden für Festelektrolyte.

Neben den Rohstoffkosten diskutieren die Autoren der Joule-Perspektive auch die Festelektrolytsynthese und Konditionierungsschritte. Sie zeigen, dass bei richtiger Optimierung und Handhabung unter Trockenraumbedingungen der Zeit- und Ressourcenaufwand für die Herstellung dieser Materialien erheblich reduziert werden kann, während sichergestellt wird, dass sie den Spezifikationen entsprechen.

wird bearbeitet

Die meisten Arbeiten, die heute an All-Solid-State-Batterien durchgeführt werden, werden immer noch manuell durchgeführt. Die Werkzeuge und die Infrastruktur zur Unterstützung der skalierbaren Verarbeitung und Integration von Festelektrolyten in die erforderlichen Verbundschichten in der Batterie sind noch nicht vorhanden. Stattdessen ist eine intensive Anpassung an jeden Prozess erforderlich.

Um dies zu überwinden, haben die Ingenieure, die die neue Perspektive in Joule geschrieben haben, Prozesse entwickelt, um Lithium-Ionen-kompatible Maschinen bei der Herstellung von Festkörperbatterien einzusetzen. In einem bemerkenswerten Beispiel in dem Artikel wurde die Z-Stapelung von Festelektrolytfolien und Elektroden demonstriert. Z-Stacking ist eine gängige Technik, die in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, aber nie zuvor für alle Festkörperbatterien für möglich gehalten wurde.

Druck

Aufgrund der festen Natur der Materialien in der Chemie, die in Festkörperbatterien verwendet wird, wird ein schlechter Kontakt an Grenzflächen typischerweise durch Aufbringen eines hohen Stapeldrucks auf die Batterie kompensiert. Diese hohen Stapeldruckanforderungen sind oft ein Kritikpunkt, wenn es um den Einsatz von All-Solid-State-Batterien in Elektrofahrzeugen geht. Die Autoren betonen einen schwerwiegenden Mangel an Wissen über die Faktoren, die den Stack-Druck auf der Modul-zu-Pack-Ebene bestimmen, sowie seine Auswirkungen auf die Effizienzverluste bei der Energiedichte.

Um diese Wissenslücken zu schließen, teilen die Autoren wichtige Überlegungen zum Design von All-Solid-State-Batteriemodulen. Sie betonen, dass neben dem spezifischen Druckwert, auf den sich die Batteriegemeinschaft weitgehend konzentriert hat, auch die Druckgleichmäßigkeit und die Frage, wie der Druck aufrechterhalten werden kann, während die Batterie in Betrieb ist, beachtet werden sollten.

Was kommt als nächstes?

Die technischen Herausforderungen in den Kategorien Ausgangsstoffe, Verarbeitung und Druck sind zweifellos entmutigend. Dies gilt insbesondere in universitären Forschungsumgebungen.

Die Batterieforschung an Universitäten konzentriert sich in der Regel auf die Entdeckung und neuartige Verwendung von Materialien im kleinen Maßstab. Diese Art der Forschung umfasst oft nicht die Ressourcen, die erforderlich sind, um Entdeckungen so zu skalieren, dass sie für den Transfer in die Industrie ohne Weiteres relevant sind. Darüber hinaus weisen die Autoren darauf hin, dass die derzeitigen akademischen Bewertungssysteme häufig nur begrenzte Anreize für Universitätswissenschaftler bieten, diese Lücke zu schließen. Während Batterie-Start-up-Unternehmen häufig versuchen, die Skalierbarkeitslücken zwischen Universität und Industrie zu schließen, führt dies zu verschiedenen Formen des Informationsschutzes, was zum Verlust wertvoller Erkenntnisse aus der Ingenieurpraxis und zu fehlgeschlagenen Iterationen führt.

Auf diese und ähnliche Weise ist das Gebiet der Festkörperbatterien derzeit mit einer Ineffizienzlücke konfrontiert, wenn es darum geht, die schwierigen technischen Herausforderungen zu lösen und zu teilen, die einer groß angelegten Verwendung von Festkörperbatterien im Wege stehen eine Vielzahl von Branchen.

Die Autoren des Perspektivartikels in Joule argumentieren, dass bei Festkörperbatterien die Lücke zwischen universitärer Forschung und großtechnischer Fertigung über Ansätze geschlossen werden muss, die nicht nur auf Start-up-Unternehmen angewiesen sind.

Ein Ansatz, argumentieren die Autoren, besteht darin, die Forschungsinfrastruktur und das Fachwissen der US National Laboratories stärker zu nutzen. Tatsächlich verfügen die US National Laboratories über die Infrastruktur, die eine stärkere Ausweitung der Forschung von kleinen Projekten, die an Universitäten durchgeführt werden, bis hin zu größeren Pilotprojekten unterstützen könnte. Diese Art von Laboratorien auf mittlerer Ebene könnten besser genutzt werden, um Forschung zu betreiben, die sowohl für Universitäts- als auch für Industrieforscher relevant ist.

Dies würde zu einem offeneren und dynamischeren Forschungs- und Innovationsökosystem für die Entwicklung von Festkörperbatterien führen. In solchen Ökosystemen könnten Forscher an Universitäten, US National Laboratories, Start-ups und etablierte Industrieakteure besser von vorwettbewerblichen technischen Fortschritten bei Vorläufern, Verarbeitung und Druck profitieren, die erreicht werden müssen, um das gesamte Feld zu bewegen nach vorne.


Erhöhung der Lebensdauer und Stabilität von Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien


Mehr Informationen:
Darren HS Tan et al, Hochskalierung von sulfidischen Festkörperbatterien mit hoher Energiedichte: Eine Labor-zu-Pilot-Perspektive, Joule (2022). DOI: 10.1016/j.joule.2022.07.002

Zeitschrifteninformationen:
Joule

Bereitgestellt von der University of California – San Diego

Zitat: Setting the stage for solid-state battery success (2022, 3. August), abgerufen am 4. August 2022 von https://techxplore.com/news/2022-08-stage-solid-state-battery-success.html

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