Pengenalan baterai solid state
Dalam baterai, ion positif bergerak antara elektroda negatif dan positif melalui konduktor ion dan mengirimkan elektron untuk menghasilkan arus listrik. Dalam baterai konvensional contoh baterai lithium-ion , konduktor ionik adalah senyawa organik cair yang sangat mudah terbakar yang merupakan kerugian yang signifikan. Berbagai proses penelitian dan pengembangan yang diadopsi mensintesis berbagai senyawa untuk menemukan konduktor padat berkinerja tinggi untuk menggantikan konduktor cair. Para peneliti telah menemukan konduktor ion solid-state yang melampaui kinerja konduktor lithium-ion konvensional. contoh: elektrolit padat sulfida LGPS (LGPS: litium, germanium, fosfor, belerang)
Apa itu baterai solid state? Ini adalah pendekatan teknologi yang memiliki potensi lebih tinggi untuk keamanan yang lebih besar, kepadatan energi yang lebih tinggi , dan efektivitas biaya. Baterai solid-state adalah masa depan untuk teknologi baterai di elektronik konsumen dan kendaraan listrik. Katoda, anoda, pemisah, dan elektrolit membentuk baterai lithium-ion. Larutan elektrolit cair digunakan dalam baterai keadaan cair (baterai lithium-ion), yang diterapkan pada telepon pintar, perkakas listrik, dan kendaraan listrik. Baterai solid-state, di sisi lain, menggunakan elektrolit padat daripada elektrolit cair seperti yang digunakan dalam baterai konvensional.
Elektrolit dalam baterai adalah campuran kimia konduktif yang memungkinkan arus melewati antara anoda dan katoda. Pemisah menghindari korsleting. Baterai solid-state adalah sel elektrokimia dengan anoda, katoda, dan elektrolit, sama seperti baterai lainnya. Elektroda dan elektrolit padat, tidak seperti baterai timbal-asam.
Baterai Li-ion yang tersedia secara komersial memiliki pemisah yang menahan katoda dan anoda dipisahkan oleh larutan elektrolit cair. Baterai solid-state, di sisi lain, menggunakan elektrolit padat daripada larutan elektrolit cair, dan elektrolit padat juga bertindak sebagai pemisah. Baterai ini sangat penting dan sangat dibutuhkan untuk meningkatkan kapasitas baterai solid state EV. Mereka mudah terbakar, dan kemungkinan meledak dapat diabaikan. Contoh baterai solid-state adalah gelas lithium fosfat. Kepadatan energi tinggi dalam baterai ini.
Kapasitas energi baterai solid-state lebih besar daripada baterai Li-ion dengan larutan elektrolit cair. Karena tidak ada kemungkinan ledakan atau kebakaran, tidak diperlukan komponen keselamatan, yang menghemat ruang. Baterai dapat mengemas energi dua kali lebih banyak dibandingkan dengan baterai lithium-ion yang menghasilkan peningkatan daya. Karena hanya sedikit baterai yang dibutuhkan, baterai solid-state dapat meningkatkan kepadatan energi per satuan luas.
Teknologi baterai solid state
SSB terutama berfokus pada karakteristik berikut:
Kepadatan energi yang lebih tinggi:
- Biaya lebih rendah: penggunaan bahan yang lebih murah dan proses yang hemat biaya dan karena kepadatan energi yang tinggi.
- Keamanan yang lebih tinggi: toleransi terhadap pengisian yang berlebihan, toleransi terhadap muatan yang dalam
- Ketergantungan bahan langka yang lebih rendah: ketergantungan geologis yang lebih sedikit, penggantian bahan seperti lithium, kobalt.
- Dampak lingkungan yang lebih rendah: tidak ada bahan beracun, tidak ada logam berat, tidak ada bahan kimia berbahaya, produksi ramah lingkungan, bahan mudah dibuang atau didaur ulang.
- Lainnya: kemampuan debit dalam, pengisian cepat, atau kemampuan pengosongan.
Elektrolit solid-state adalah komponen kunci dalam baterai solid-state. Ada tiga jenis utama bahan elektrolit solid-state.
Bahan anorganik: bahan kristal anorganik, bahan amorf anorganik. Karena elektrolit anorganik memiliki modulus elastisitas yang tinggi, stabilitas termal/kimia yang kuat, jendela elektrokimia yang besar, konduktivitas ionik yang tinggi, dan konduktivitas elektronik yang rendah, elektrolit ini lebih cocok untuk desain baterai kaku yang dapat bekerja di lingkungan yang keras.
Polimer padat: contoh: polietilen oksida. Meskipun elektrolit polimer memiliki konduktivitas ionik yang lebih rendah daripada elektrolit padat anorganik, mereka dapat memberikan berbagai geometri, fleksibilitas tinggi, dan memerlukan pemrosesan produksi yang murah dan disederhanakan. Saat mengintegrasikan sel baterai, elektrolit polimer padat dapat dengan mudah membuat tautan elektroda-elektrolit yang efektif, yang dapat meningkatkan stabilitas elektrokimia dan masa pakai baterai. Elektrolit cair digunakan dalam baterai lithium-ion tradisional, dan biasanya membuat kontak yang baik dengan elektroda.
Elektroda menyerap cairan seperti spons berkat permukaannya yang bertekstur, menghasilkan area kontak yang besar. Secara teori, dua benda padat tidak dapat dihubungkan dengan mulus. Akibatnya, hambatan antara elektroda dan elektrolit menjadi tinggi. Elektrolit padat bertindak sebagai media pembawa yang stabil untuk elektroda fosfat, yang dicetak di kedua sisinya. Baterai solid-state baru, tidak seperti baterai lithium-ion tradisional, sepenuhnya bebas dari zat beracun atau berbahaya.
Bahan anorganik dan polimer digabungkan untuk mendapatkan keuntungan dari kedua jenis bahan tersebut. Elektrolit ini menunjukkan konduktivitas ionik yang tinggi dan relatif fleksibel.
Sifat mekanik, listrik, dan kimia dari elektrolit padat, serta antarmuka/interfasenya dengan elektroda anoda dan katoda, memiliki dampak yang signifikan terhadap efisiensi baterai solid-state.
Isu dasar dalam baterai solid-state, dengan penekanan pada tiga fenomena penting:
(i) prinsip-prinsip menghasilkan konduktor ionik tingkat lanjut,
(ii) perkembangan struktural pada antarmuka elektroda-elektrolit yang tidak stabil secara kimia, dan
(iii) implikasi dari pemrosesan baterai solid-state, termasuk arsitektur elektroda dan elektrolit. Elektrolit keadaan padat (SSE) tidak hanya dapat mengatasi masalah keselamatan tetapi juga memungkinkan penggunaan anoda logam dan operasi tegangan tinggi.
Baterai solid-state (SSB) adalah salah satu solusi terbaik untuk baterai generasi berikutnya karena elektrolit padat memiliki stabilitas termal yang jauh lebih tinggi. Selain itu, elektrolit padat anorganik dapat berfungsi pada suhu ekstrim, seperti suhu antara 50 hingga 200 ° C atau bahkan lebih tinggi, di mana elektrolit organik gagal karena pembekuan, pendidihan, atau dekomposisi.
Untuk mencapai keluaran elektrokimia yang diharapkan saat menggunakan elektrolit semua-padat, empat fitur unik dipertimbangkan. Ciri-ciri tersebut antara lain:
( i ) konduktivitas ionik tinggi (+Li> 104 S/cm);
(ii) kekuatan mekanik yang memadai dan sedikit cacat struktural untuk mencegah penetrasi lithium dendrit;
(iii) bahan baku yang murah dan proses persiapan yang mudah; dan
(iv) energi aktivasi yang rendah untuk difusi ion litium.
Keuntungan baterai solid state
- Struktur sederhana: elektrolit padat bertindak sebagai pemisah yang mencegah kontak anoda dan katoda yang menghasilkan kepadatan energi yang lebih tinggi dan menghindari biaya pemisah.
- Tegangan tinggi: dekomposisi elektrolit padat tinggi yang pada gilirannya menyebabkan kepadatan energi yang tinggi.
- Elektrolit padat yang tidak mudah terbakar.
- Elektrolit tahan api.
- Tidak ada risiko kebocoran cairan elektrolit.
- Dapat digunakan pada suhu operasi yang lebih tinggi yang mengarah ke kisaran suhu operasi yang lebih besar.
- Kemungkinan penumpukan sel dalam satu paket.
- Struktur sel yang sederhana dan biaya produksi yang sederhana membuat baterai solid-state hemat biaya.
- Pengisian baterai solid-state 6 kali lebih cepat daripada baterai liquid state.
- Masa pakai baterai solid-state dapat bertahan hingga 10 tahun.
Kekurangan baterai solid state
- Dendrit adalah masalah paling serius dengan baterai solid state, selain dari biaya. Dendrit adalah kristalisasi logam lithium yang dimulai pada anoda dan dapat menyebar ke seluruh baterai. Ini terjadi ketika ion dalam elektrolit padat bergabung dengan elektron untuk membuat lembaran logam litium padat karena pengisian dan pengosongan arus yang tinggi.
- Baterai ini tidak banyak digunakan dalam elektronik konsumen dan kendaraan listrik karena harganya sangat mahal. baterai solid state menunjukkan kinetika lebih lambat karena:
- Konduktivitas ionik rendah
- Resistensi antarmuka yang tinggi
- Kontak antarmuka yang buruk
Bagaimana cara kerja baterai solid state?
Seperti disebutkan sebelumnya, baterai solid-state menggunakan membran elektrolit padat dengan bahan elektroda positif dan negatif padat. Selama pengisian atau pelepasan, ion bermigrasi ke matriks padat konduktif ion daripada garam ionik yang dilarutkan dalam larutan, menyebabkan reaksi pengisian atau pelepasan berlangsung. Reaksi redoks digunakan untuk menyimpan dan mendistribusikan energi dalam baterai solid-state. Anoda mengalami oksidasi, sedangkan katoda mengalami reduksi, dan baterai dapat menggunakan fenomena ini untuk menyimpan (mengisi) dan melepaskan (mengosongkan) energi sesuai kebutuhan.
Saat mengeluarkan energi, ion menyebabkan reaksi kimia antara bahan baterai yang disebut ‘Redoks,’ di mana oksidasi terjadi di anoda untuk membuat senyawa dengan elektron bebas, yang memasok energi listrik, dan reduksi terjadi di katoda untuk membuat senyawa yang mendapatkan elektron dan oleh karena itu pertahankan kekuasaan. Mekanismenya terbalik ketika baterai diisi. Ion bermuatan positif melewati elektrolit dari elektroda negatif (anoda) ke elektroda positif (katoda) saat mengeluarkan baterai solid-state (katoda). Hal ini menyebabkan muatan positif berkembang di katoda dan menyerap elektron dari anoda.
Namun, karena elektron tidak dapat melewati elektrolit , mereka harus melakukan perjalanan melalui sirkuit, memberikan daya untuk apa pun yang melekat padanya, seperti motor listrik. Dalam proses pengisian, ion bermigrasi ke anoda, mengumpulkan muatan yang menyerap elektron dari katoda melalui sirkuit. Baterai dianggap terisi penuh ketika tidak ada lagi ion yang dapat mengalir ke elektroda negatif. Baterai solid-state memerlukan aditif dan pengikat yang berbeda di dalam lapisannya untuk mempertahankan konduktivitas tinggi selama bersepeda. Bahan juga harus ditahan di bawah tekanan untuk menjaga kontak selama periode pengisian dan pemakaian. Ekspansi dan kontraksi material yang normal selama siklus pengisian dan pengosongan menambah kesulitan mempertahankan sentuhan yang kuat.
Siklus hidup dan keluaran sel dapat terganggu jika ekspansi dan kontraksi melemahkan ikatan dari waktu ke waktu. Baterai solid-state juga menyederhanakan tingkat paket, di mana sel-sel individual terpasang, dibandingkan dengan baterai Li-ion. Baterai solid-state tidak memerlukan banyak kontrol termal karena efisiensinya meningkat seiring dengan kenaikan suhu.
Tingkat pengisian dan pengosongan keseluruhan, serta konduktivitas ionik dari elektrolit padat, meningkat seiring dengan kenaikan suhu. Akibatnya, suhu operasi akhir sel solid-state hanya dibatasi oleh titik leleh lithium, yaitu 180°C. Selanjutnya, tidak adanya elektrolit cair Li-ion yang mudah terbakar menghilangkan kekhawatiran desain tentang sel bencana atau kegagalan paket. Baterai solid-state berbasis logam lithium harus digunakan sebagai alternatif baterai Li-ion karena anoda grafit yang digunakan pada baterai Li-ion tipikal memiliki potensi yang rendah dibandingkan dengan lithium (0,20 V), menawarkan kepadatan energi volumetrik yang lebih besar dengan tegangan dan kinerja yang setara. .
Apakah baterai solid state tersedia?
Alat pacu jantung, RFID, dan perangkat portabel menggunakan baterai solid-state. Beberapa dari baterai ini sedang digunakan dalam aplikasi luar angkasa. Pendekatan komersialisasi untuk baterai solid-state di pasar mobil EV/HEV. Untuk membawa baterai solid-state bukan hanya tentang mengembangkan elektrolit solid-state yang sesuai, tetapi juga mempertimbangkan fitur-fitur seperti:
- Mengamankan pasokan dan penjualan material.
- Peralatan dan pengembangan manufaktur sel dan paket.
Meskipun bertahun-tahun dikembangkan, banyak pemain belum berhasil membawa baterai solid-state ke pasar. Pada suhu kamar, elektrolit ionik biasanya beberapa kali lipat lebih rendah daripada elektrolit cair. Ini adalah salah satu rintangan utama untuk komersialisasi baterai solid-state. Sementara konsep baterai solid-state telah ada selama beberapa dekade, kemajuan baru sekarang dibuat, berkat investasi dari perusahaan elektronik, produsen mobil, dan penyedia industri umum.
Mengapa baterai solid-state lebih baik?
Baterai solid-state menawarkan beberapa keunggulan dibandingkan baterai berisi cairan, termasuk masa pakai baterai yang lebih lama, waktu pengisian yang lebih cepat, dan pengalaman yang lebih lancar. Alih-alih menangguhkan elektroda dalam elektrolit cair, baterai solid-state memampatkan anoda, katoda, dan elektrolit menjadi tiga lapisan datar. Akibatnya, mereka dapat dibuat lebih kecil—atau setidaknya menonjolkan masih membawa jumlah energi yang sama seperti baterai pelarut yang lebih besar.
Jadi, ketika ponsel atau laptop memiliki baterai lithium-ion atau lithium-polymer dengan baterai solid-state dengan kapasitas yang sama, itu akan bertahan lebih lama. Sebuah sistem dibuat yang membawa jumlah muatan yang sama tetapi jauh lebih kecil dan lebih tipis. Baterai solid state, ketika digunakan untuk memberi daya pada perangkat saat ini atau bahkan kendaraan listrik, baterai dapat diisi ulang lebih cepat karena ion dapat berpindah dari katoda ke anoda lebih cepat. Baterai solid-state dapat menunjukkan berbagai baterai isi ulang dalam hal kapasitas hingga 500 persen atau lebih dan mengisi daya dalam sepersepuluh waktu. Baterai solid-state kurang berbahaya bagi lingkungan.
Baterai film tipis solid-state kurang berbahaya bagi lingkungan dibandingkan baterai konvensional. Karena baterai solid-state memiliki kinerja dan kepadatan energi yang lebih tinggi, mereka tidak memerlukan komponen pendingin dan kontrol seperti yang dilakukan baterai lithium-ion, sehingga menghasilkan ukuran keseluruhan yang lebih kecil, lebih banyak kebebasan perangkat, dan bobot yang lebih rendah.
Karena baterai solid-state tahan terhadap korosi elektroda yang disebabkan oleh bahan kimia dalam elektrolit cair atau penumpukan lapisan padat dalam elektrolit yang mempersingkat masa pakai baterai, baterai solid-state dapat menangani lebih banyak siklus pengosongan dan pengisian daya daripada baterai lithium-ion. Baterai solid-state dapat diisi ulang hingga tujuh kali lebih banyak daripada baterai lithium-ion, memungkinkan mereka sepuluh tahun, bukan beberapa tahun baterai lithium-ion dimaksudkan untuk bertahan. Institusi pendidikan, produsen baterai, dan pakar material semuanya menyelidiki baterai solid-state dapat diubah menjadi sumber daya generasi berikutnya untuk digunakan secara luas.
Apakah baterai solid state mengisi lebih cepat?
Beberapa elektrolit padat memiliki konduktivitas ionik lebih besar dari 5 mS/cm dan merupakan konduktor ion tunggal. Pada arus tinggi, ini mencegah resistensi polarisasi terbentuk di elektrolit padat. Akibatnya, pengisian cepat berpotensi layak. Baterai solid-state menggunakan bahan padat, biasanya polimer atau senyawa keramik, untuk menggantikan elektrolit cair yang mudah terbakar dalam baterai lithium-ion. Anoda lithium-logam telah diperkenalkan sebagai pengganti grafit tradisional atau anoda silikon. Upaya mengembangkan baterai lithium-logam solid-state ini berpotensi menggandakan kepadatan energi sekaligus mengurangi waktu pengisian daya secara signifikan.
Bagaimana baterai solid state dibuat?
Dalam baterai solid state, hanya ada dua lapisan utama, katoda elektroda positif dengan kontak listrik dengan pemisah keramik solid-state yang menggantikan pemisah polimer, yang menggantikan pemisah polimer berpori yang ditemukan pada baterai lithium-ion konvensional. Elektrolit semua-padat bergantung pada konduktor superionik dan antarmuka yang dioptimalkan.
Tantangan untuk mengembangkan elektrolit solid-state yang baik adalah untuk mengatasi antarmuka, batas tiga fase di mana elektroda positif, ion, dan elektron harus diangkut secara bersamaan, yang membutuhkan fase yang sangat terputus-putus. Mencapai transpor elektron dan ion simultan pada antarmuka dan kontrol antarmuka adalah sebuah tantangan.
Masalah stabilitas kimia dengan elektrolit positif dan stabilitas oksidatif elektrolit dengan adanya karbon dan masalah dendrit ion logam memerlukan penggabungan antarmuka yang dilindungi. Elektrolit padat memiliki konduktivitas ion yang lebih rendah daripada elektrolit cair berdasarkan urutan besarnya. Hal ini juga penting untuk mengoptimalkan resistensi pada antarmuka elektrolit-elektroda.
Tantangan untuk elektrolit padat untuk baterai:
Elektroda positif komposit tebal dengan massa aktif tinggi: konduktivitas ionik tinggi dari elektrolit solid-state. Antarmuka yang stabil dengan oksida dan aktivitas redoks rendah dengan aditif penghantar elektronik.
Membran elektrolit padat massa rendah tipis harus memiliki sifat mekanik yang baik, daktilitas, dan kontrol tekanan dinamis.
Semua elektrolit SSB menawarkan kombinasi konduktivitas ionik tinggi yang belum pernah terjadi sebelumnya dan stabilitas yang sangat baik antara anoda dan katoda. Kompatibilitas anoda adalah kuncinya karena memberikan manfaat utama pada tingkat sel dibandingkan baterai lithium-ion konvensional lainnya.
Ada tiga elektrolit padat utama:
Elektrolit polimer : keuntungan dari elektrolit polimer adalah kemampuan proses sel. Kekurangannya adalah stabilitas yang relatif buruk terhadap logam dan konduktivitas yang relatif buruk pada suhu yang sangat rendah.
Konduktivitas ionik yang lebih rendah = transportasi ion yang lebih rendah = daya yang lebih kecil.
Elektrolit oksida: mereka memiliki sifat mekanik yang ideal, sangat kaku, dan secara kimia stabil terhadap anoda logam. Kelemahan utama termasuk kemampuan tingkat rendah dalam hal seberapa cepat mereka dapat terkorosi menggunakan elektrolit oksida dan menantang untuk diproses karena membutuhkan suhu yang sangat tinggi. Mereka memiliki stabilitas termal yang lebih tinggi, kemampuan proses sel yang dapat diabaikan, sensitif terhadap kelembaban, dan konduktivitas sedang. Elektrolit berbasis oksida biasanya stabil secara kimia dan dapat digunakan dengan bahan katoda berenergi tinggi.
Konduktivitas ion, bagaimanapun, lebih rendah daripada elektrolit berbasis sulfida.
Bahan dengan perovskit (LLTO: Lithium Lanthanum Titanium Oxide)
Struktur Garnet (LLZO, lithium lanthanum zirconium oxide), serta NASICON (LAGP: Lithium Aluminium Germanium Phosphate), sangat mengesankan di antara elektrolit berbasis oksida.
Elektrolit sulfida: mereka memiliki sifat mekanik antara polimer itu dan oksida. Mereka lebih konduktif dari semua kelas elektrolit. Semua elektrolit pemecah rekor berasal dari bahan kelas sulfida. Mereka memiliki konduktivitas yang lebih tinggi, kemampuan proses sel yang lebih tinggi, dan kemampuan termal yang lebih tinggi tetapi sensitif terhadap kelembaban. Konduktivitas ionik biasanya lebih tinggi pada elektrolit berbasis sulfida, tetapi secara kimiawi lebih tidak stabil.
Pada suhu kamar, lithium tin fosfor sulfida (LSPS) amorf memiliki konduktivitas ion yang sangat tinggi. Ketidakcocokan dengan logam lithium, di sisi lain, menjadi perhatian.
Bahan yang menentukan elektrolit dikenal sebagai aditif. Aditif adalah sejumlah kecil bahan yang membentuk lapisan pelindung pada permukaan katoda dan anoda. Ini mencegah degradasi baterai dengan memfasilitasi kelancaran ion lithium antara katoda dan anoda. saya
Aditif katoda dan anoda adalah dua jenis aditif. Aditif katoda mencegah penuaan baterai dengan menstabilkan struktur katoda dan melindungi permukaan, menghilangkan panas berlebih dan pengisian daya yang berlebihan. Aditif anoda larut lebih cepat daripada pelarut, membentuk film kuat di anoda yang memperpanjang umurnya, mencegah panas berlebih, dan membuat baterai tetap terisi. aditif memainkan peran penting dalam keseluruhan sistem dengan memperpanjang masa pakainya, memperbaiki masalah suhu tinggi, dan menurunkan resistansi. saya
Separator adalah membran isolasi tipis dengan sekitar empat fitur yang menahan katoda dan anoda terpisah. Kedua, seperti namanya, separator melindungi katoda dan anoda dari kontak di dalam baterai.
Kedua, separator memiliki pori-pori berukuran submikron yang tidak terlihat dengan mata telanjang, dan pori-pori tersebut berfungsi sebagai saluran bagi ion litium untuk lewat antara katoda dan anoda. Karena separator memiliki stabilitas mekanik yang baik, properti tarik menahan produk samping dan zat asing, memastikan keamanan. Bahan yang stabil secara elektrokimia dan berinsulasi tinggi dapat digunakan sebagai pemisah. Pemisah seharusnya menghindari interaksi katoda dan anoda, dan itu menyebabkan masalah besar jika mereka mengganggu ion lithium atau ion lain di dalam baterai. Separator harus dapat memastikan perlindungan dengan menutup pori-pori dan mencegah pergerakan ion jika suhu baterai melebihi batas tertentu.
Akhirnya, pemisah SSB harus cukup kecil untuk memungkinkan lebih banyak bahan aktif dimasukkan ke dalam baterai, meningkatkan kepadatan energi. Untuk menghindari kerusakan dan memastikan perlindungan, mereka juga harus memiliki kekuatan mekanik yang tinggi.
Persyaratan elektrolit padat
Elektrolit padat dengan kombinasi sifat tertentu akan dibutuhkan untuk komersialisasi baterai solid-state. Untuk menjadi pengganti elektrolit cair yang sesuai, elektrolit padat harus memiliki konduktivitas ion litium lebih besar dari 0,1 mS/cm. Elektrolit harus stabil secara kimia terhadap reduksi litium, atau lapisan reaksi pasif harus dibentuk. Untuk menjaga resistansi sel internal tetap rendah, elektrolit perlu membentuk antarmuka resistansi rendah.
Pada antarmuka logam alkali, di mana lapisan substrat yang bereaksi dengan atmosfer, oksida tereduksi, dan pembasahan yang tidak homogen semuanya dapat menyebabkan resistensi antarmuka yang substansial, menciptakan antarmuka dengan resistansi rendah menambah kompleksitas., elektrolit harus memiliki kekuatan dan ketangguhan patah yang cukup untuk menghindari penyebaran filamen lithium melalui elektrolit. Pada potensial anoda dan katoda, elektrolit harus stabil.
Bentuk elektrolit padat
Karena elektrolit padat polimer memiliki konduktivitas ionik yang rendah, mereka biasanya digunakan pada suhu yang lebih tinggi (60 ° C-80 ° C) untuk mendapatkan manfaat dari transportasi ionik yang lebih tinggi. Meskipun polimer mudah digunakan, sifat mekaniknya tidak cukup untuk menjaga anoda logam litium tetap stabil.
Akibatnya, elektrolit padat anorganik telah menerima pengakuan paling banyak. Konduktivitas elektrolit sulfida padat termasuk yang terkuat dari semua elektrolit padat.
Meskipun ada banyak kimia, sistem Li2 S-P2 S5 adalah yang paling banyak digunakan. Dalam kerangka Li2 S-P2 S5, elektrolit dapat berupa kaca, kristal, atau sebagian kristal. Elektrolit Li2 S-P2 S5 yang tidak didoping memiliki stabilitas elektrokimia yang rendah dengan lithium, sedangkan versi yang didoping memiliki stabilitas yang lebih baik. Pada suhu kamar atau di bawah 400 °C, sifat ulet dari elektrolit sulfida memungkinkan mereka untuk memampatkan menjadi kompak dengan jembatan elektrokimia yang baik antara partikel. Akibatnya, elektrolit sulfida adalah elektrolit padat anorganik yang paling mudah untuk diproses.
Namun, reaktivitas dengan uap air di udara dapat menjadi masalah dengan komposisi elektrolit sulfida tertentu, melepaskan H2 S dan menurunkan elektrolit. Akibatnya, mereka biasanya diproses di argon atau lingkungan ruang kering dengan kelembapan rendah.
Elektrolit padat berbasis oksida adalah bentuk kedua dari elektrolit padat anorganik. Ada beberapa bentuk yang berbeda, tetapi garnet Li7 La3 Zr2 O12 adalah yang paling umum. Pada suhu kamar, elektrolit oksida padat memiliki konduktivitas ionik yang kuat, rentang elektrokimia terluas, dan stabilitas kimia maksimum terhadap litium. Selain itu, bahan oksida memiliki modulus elastisitas dan ketangguhan patah tertinggi dari semua elektrolit padat, menjadikannya ideal untuk stabilitas fisik anoda logam litium dan masa pakai sel jangka panjang. Meskipun memiliki sifat elektrokimia campuran terbaik, elektrolit padat dengan konduktivitas ion tinggi membutuhkan suhu sintering 1.000 °C – 1.300 °C.
Resistensi terhadap dendrit atau pengembangan filamen litium dalam elektrolit padat cenderung dikaitkan dengan rapat arus atau arus sel total dibagi dengan wilayah penampang elektrolit. Akibatnya, sel bisa gagal pada kepadatan arus kritis (CCD) ketika logam lithium menembus sel. Pengisian stabil dimungkinkan pada kepadatan arus di bawah nilai kritis ini. Pelapisan lithium arus konstan dalam sel asimetris dengan elektroda lithium di kedua sisi elektrolit padat adalah pemeriksaan CCD standar.
Dalam preparasi elektrolit padat LGPS sulfida, struktur material dianalisis dengan berkas neutron. Para peneliti dapat mengamati gerakan linier ion di dalam struktur molekul konduktor padat. Sebuah terowongan diamati dalam struktur 3D-nya. Pergerakan ion lithium diamati di dalam terowongan ini. Dengan petunjuk ini, para peneliti dapat meningkatkan konduktivitas dan stabilitas ionik material, mengembangkan dua material baru dengan menambahkan sedikit klorin ke LGPS. Bahan-bahan ini menunjukkan kinerja konduktor ionik tertinggi di dunia.
Bahan-bahan tersebut dianalisis dengan difraktometer desain bahan. Hasilnya menunjukkan struktur inovatif yang memungkinkan ion bergerak dalam tiga dimensi, bukan hanya satu. Inilah yang memungkinkan kinerja material setinggi mungkin. Di antara berbagai sel generasi baru yang telah dikembangkan, bahan ini menjadi elektrolit kuat untuk digunakan di semua SSB.
SSB ini memiliki kepadatan energi yang sedikit lebih tinggi dan output daya yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan baterai lithium-ion. Dengan demikian, keunggulan semua SSB dirancang untuk memiliki baterai kompak berkapasitas tinggi yang dapat diisi ulang dalam waktu singkat. Sebagai produk penelitian khusus dan tingkat analisis atom bahan elektrolit, semua SSB baru ini dapat menghasilkan baterai generasi baru.
Dalam baterai lithium ion solid-state, saat baterai diisi, lithium meninggalkan perjalanan melalui kisi atom dari pemisah keramik solid-state tidak berpori. Setelah litium benar-benar dipisahkan, ia mengendap di antara pemisah dan kontak listrik membentuk anoda litium logam murni. Untuk anoda logam lithium memungkinkan energi baterai solid-state disimpan dalam volume energi yang lebih kecil yang memungkinkan kepadatan energi yang lebih tinggi dibandingkan dengan baterai lithium-ion konvensional. Baterai logam lithium solid-state memungkinkan jangkauan yang lebih besar dari kepadatan energi yang lebih tinggi dari pengisian cepat lima belas menit dan operasi yang lebih aman dengan menghilangkan pemisah polimer organik.
Baterai lithium-ion energi tinggi:
- Penggunaan bahan berenergi tinggi
- Katoda NMC atau NCA yang kaya nikel, bila dikombinasikan dengan anoda komposit silikon, menawarkan kepadatan energi Gravimetri dan volumetrik yang lebih tinggi.
- Pengurangan biaya diharapkan untuk tujuan manufaktur.
- Hanya perubahan kecil pada proses produksi yang diperlukan.
Baterai lithium solid state
Baterai lithium-sulfur:
- Setelah dibuang, litium bereaksi dengan belerang di katoda untuk membentuk litium sulfida.
- Sulfur, sebagai bahan yang tersebar luas dan hemat biaya, menawarkan sel baterai berbiaya rendah.
- Ketidakpastian mengenai siklus dan masa pakai, serta sensitivitas suhu tinggi, terus menggagalkan pertumbuhan segmen pasar.
- Saat ini, kepadatan energi volumetrik cenderung terlalu buruk untuk penggunaan mobil.
Baterai lithium-udara:
- Litium dioksidasi dengan oksigen di sisi katoda saat dilepaskan, menghasilkan litium peroksida dan litium oksida.
- Kepadatan energi yang tinggi dan penggunaan udara ambien secara teknis layak dilakukan.
- Kendala besar dalam stabilitas siklus, yang membuat aplikasi mobil dalam dekade berikutnya tampak mustahil.
Fungsionalitas dan desain semua SSB
- Elektrolit padat permeabel ion bertindak sebagai pemisah dan menyediakan pemisahan spasial dan listrik antara katoda dan anoda dari semua SSB
- Ada berbagai desain sel untuk dipilih. Sel film tipis digambarkan dalam diagram di atas. Sebuah katoda komposit dapat digunakan untuk membuat lapisan yang lebih tebal.
- Ion litium berpindah dari anoda melalui elektrolit padat ke katoda ketika semua SSB dilepaskan. Sebuah daya mengalir pada beban eksternal pada waktu yang sama.
- Resistansi pada antarmuka anoda-elektrolit merupakan faktor penting dalam efisiensi sel baterai. Lembaran eksternal, seperti karet atau paduan aluminium, dapat digunakan untuk mengurangi hal ini.
- Penumpukan bipolar dimungkinkan karena elektrolit yang kuat. Akibatnya, sel-sel dasar terhubung secara serial.
Terbuat dari apa baterai solid state?
Bahan baterai solid-state:
Anoda:
Karena potensi teoritisnya untuk mencapai kepadatan energi maksimum, anoda logam lithium dianggap ideal. Elektrolit kuat, di sisi lain, harus mencegah litium logam membentuk dendrit. Selanjutnya, karena litium membentuk lapisan pasif dengan oksigen atmosfer, penanganan di bawah atmosfer inert diperlukan.
Silikon sebagai bahan anoda menawarkan kepadatan energi yang sangat tinggi, tetapi mengalami banyak pergeseran volume ketika dicampur dengan lithium.
Katoda:
Oksida logam digunakan sebagai katoda. Karena ada jauh lebih sedikit bahan yang telah dirancang khusus untuk semua SSB, bahan katoda yang ada digunakan dalam banyak kasus.
Pada prinsipnya, berbagai macam bahan katoda terbukti dapat digunakan, berdasarkan elektrolit, bervariasi dari bahan yang murah dan aman seperti lithium iron phosphate (LFP) hingga lithium nikel mangan kobalt oksida (NMC). Hanya lithium cobalt oxide (LCO) sebagai bahan katoda dan LLZO sebagai elektrolit yang menunjukkan stabilitas dan efisiensi yang memadai dalam praktik.
Proses pembuatan semua baterai solid state
- Pemrosesan elektroda dan elektrolit, perakitan sel, dan penyelesaian sel adalah tiga langkah utama dalam produksi semua SSB.
- Tidak ada rantai proses yang benar secara universal; alternatifnya, sejumlah besar kemungkinan rantai proses dapat digunakan. Ini bervariasi dari proses produksi baterai lithium-ion dalam beberapa cara.
- Metode ini membandingkan dan membedakan dua pilihan proses yang berbeda, terutama dalam hal keluaran elektroda dan elektrolit.
Elektroda dan elektrolit
Produksi —- perakitan sel —— penyelesaian sel
Proses A
Proses B
Sintesis sel parit dengan elektrolit padat anorganik adalah subjek dari kedua opsi proses. Untuk baterai all-solid-state, format sel kantong cenderung paling sesuai.
Sel prismatik atau bulat:
Karena komponen solid dari baterai all-solid-state, belitan menghadapi tantangan besar. Lapisan keramik yang rapuh dapat menyebabkan keretakan. Selain itu, masalah adhesi lapisan yang tepat belum diselesaikan.
Sel kantong:
Baterai all-solid-state mendapat manfaat dari penumpukan karena lapisan datar tidak berubah bentuk. Selanjutnya, senyawa lapisan diproduksi selama pemrosesan elektroda dan elektrolit, hanya menyisakan sel-sel dasar untuk ditumpuk kemudian.
Ruang kering diperlukan untuk proses pembuatan karena reaktivitas material terhadap atmosfer. Saat bekerja dengan litium metalik, disarankan menggunakan gas inert, seperti argon.
Evaluasi komprehensif penerapan keterampilan yang diperoleh dalam pengembangan sel baterai lithium-ion dilakukan untuk setiap tahap proses.
Produksi elektroda dan elektrolit melalui proses A:
- Senyawa katoda, elektrolit, dan anoda terbentuk pada pengolahan elektroda dan elektrolit.
- Sebuah sel dasar ada setelah perkembangan elektroda dan elektrolit.
- Fitur utama dari rantai proses pertama, Rantai Proses A, adalah proses ekstrusi berkelanjutan di mana lapisan dibentuk dan kemudian dilaminasi.
- Rantai proses ini sangat cocok untuk material semua-padat berbasis sulfida.
Produksi katoda dan elektrolit (peracikan):
- Metode produksi
- Dua industri peracikan yang berbeda memanfaatkan lelehan katoda dan elektrolit.
- Komponen material dimasukkan ke dalam barel pemanas ekstruder sekrup kembar dan dapat diberikan sebagai butiran atau bubuk.
- Gerakan rotasi ekstruder membawa energi ke dalam komponen material. Akibatnya, lelehnya homogen.
- Partikel elektrolit, yang menurunkan hambatan antara katoda dan elektrolit, serta pengikat dan aditif, dicampur dengan kandungan aktif katoda.
- Molekul elektrolit dan pengikat polimer adalah dua elemen material elektrolit.
Parameter dan kondisi untuk proses:
- Jumlah bahan individu yang akan dipasok
- Suhu dan tekanan di dalam silinder
- Laju dan tekanan ekstruder
- Kekuatan geser
Fitur berkualitas:
- Homogenitas lelehan
- Viskositas lelehan
- Menggabungkan skala dan kuantitas
Alternatif teknologi:
- Pabrik pencampuran berkinerja tinggi
Produksi katoda dan elektrolit (ekstrusi bersama):
- Metode produksi
- Dalam cetakan yang sesuai, lelehan katoda dan elektrolit diekstrusi bersama. Ini menghasilkan kombinasi lapisan katoda dan elektrolit.
- Saluran terpisah memberi makan katoda, dan elektrolit meleleh melalui cetakan ekstrusi.
- Lelehan berjalan melalui saluran ke outlet die ekstrusi. Lelehan diekstrusi ke konduktor arus menggunakan slot die.
Parameter proses dan persyaratan:
- Penyesuaian ketebalan lapisan
- Tingkat umpan leleh
- Suhu
- Tekanan
- Kecepatan gulungan
- Menekan tekanan gulungan kalender
Fitur berkualitas:
- Ketebalan lapisan:
- Lebar lapisan
- Adhesi antar lapisan
Alternatif teknologi:
- sablon
Pengecoran foil
Produksi anoda (ekstrusi dan kalender):
- Semua anoda SSB dapat dibuat dari foil lithium metalik. Ekstrusi dengan kalender berikutnya dapat digunakan untuk membuat film lithium ini.
- Litium cair dituangkan ke dalam silinder ekstruder piston untuk tujuan ini. Lithium kemudian diperas ke dalam nosel oleh piston.
- Kalender setelah ekstrusi memastikan homogenitas dan ketebalan film optik. Film digulung di bawah tekanan oleh dua rol dengan aplikasi pelumas untuk alasan ini.
- Rol harus dapat bekerja dengan daya rekat litium. Rol berlapis polimer, seperti yang terbuat dari poliasetal, akan mencapai hal ini.
Parameter dan persyaratan proses:
- Kecepatan ekstrusi
- Suhu
- Geometri nosel
- Menekan tekanan dari gulungan kalender
- Kecepatan suplai pelumas
- Kecepatan gulungan
Fitur berkualitas:
- Ketebalan film
- lebar foil
- Homogenitas foil lithium
Alternatif teknologi:
- Deposisi lapisan atom
proses PVD
Produksi kompon lapisan (laminating):
- Lithium foil dilaminasi ke komposit katoda-elektrolit setelah diproses. Kedua lapisan ditempatkan bersama-sama menggunakan rol untuk tugas ini.
- Dua rol digunakan untuk memaksa dua lapisan bersama-sama di tahap berikutnya. Untuk mendapatkan kekuatan adhesi yang lebih besar, ini dipanaskan. Polimer menembus dari satu lapisan ke lapisan berikutnya selama pemanasan dan pengepresan, menciptakan hubungan antara anoda dan elektrolit.
- Kata-kata laminasi “kering” dan “basah” dapat dibedakan. Sampai laminasi, laminasi basah membasahi permukaan kontak dengan pelarut. Ini memfasilitasi laminasi suhu rendah dan tekanan rendah.
Parameter dan persyaratan proses:
- Kecepatan makan lapisan
- Kecepatan gulungan
- Tekanan
- Pemanasan opsional lapisan
Fitur berkualitas:
- Adhesi antar lapisan
- Ketebalan komposit yang diinginkan
- Geometri komposit
Alternatif teknologi:
- Menekan dan sintering selanjutnya
Proses produksi elektroda dan elektrolit B
- Proses deposisi uap fisik (PVD), di mana lapisan individu ditambahkan satu demi satu, adalah fitur utama dari rantai prosedur B yang ditunjukkan di bawah ini.
- Proses saat ini, yang menunjukkan langkah-langkah pembuatan baterai film tipis, sangat cocok untuk baterai solid-state berbasis oksida .
Persiapan bahan (Penggilingan dan Pencampuran):
- Metodologi pembuatan
- Sebuah pabrik bola digunakan untuk mengisolasi bubuk katoda dari bubuk elektrolit.
- Bahan baku ditempatkan ke dalam drum gerinda silinder untuk tugas ini. Bola digunakan sebagai media gerinda pada drum gerinda ini.
- Gerakan rotasi silinder menggabungkan bahan awal. Selanjutnya, gerakan rotasi memastikan bahwa media penggilingan dan bahan awal bergeser relatif satu sama lain ketika yang terakhir digiling.
- Setelah itu, bubuk dikalsinasi untuk mencapai sifat bubuk yang diinginkan.
Persyaratan dan parameter proses:
- bahan bola
- Kecepatan
- Waktu penggilingan
- Bahan silinder
- Jumlah bahan awal
Fitur berkualitas:
- Ukuran partikel bubuk rata-rata
- Homogenitas bubuk (tingkat pencampuran)
Alternatif teknologi:
- Proses sol-gel
Produksi senyawa lapisan (sputtering frekuensi tinggi):
Proses pembuatan:
- Sputtering frekuensi tinggi digunakan untuk membuat katoda dan lapisan elektrolit dari katoda dan bubuk elektrolit. Tujuan dari proses sputtering ini terlebih dahulu dibuat dari serbuk menggunakan sistem die atau hot-pressing.
- Kolektor ini juga bertindak sebagai substrat proses. Lapisan katoda diendapkan pada fase pertama. Lapisan elektrolit kemudian ditempatkan di atas lapisan katoda.
- Ion ditujukan pada target operasi sputtering. Atom tersingkir dari target dalam langkah ini, yang kemudian mencapai fase gas dan maju ke substrat. Lapisan karena itu dikembangkan atom demi atom pada permukaan substrat.
- Ruang vakum digunakan untuk sputtering frekuensi tinggi.
Persyaratan dan parameter proses:
- Suhu
- Waktu pengendapan
- Tekanan proses
- Suasana sekitar
- Daya proses/kepadatan daya
- Diameter target & jarak target
Fitur berkualitas:
- Ketebalan lapisan kolektor saat ini
- Ketebalan lapisan katoda dan elektrolit
Alternatif teknologi:
- Deposisi uap kimia
Deposisi senyawa lapisan (sintering)
Proses pembuatan:
- Lapisan katoda dan elektrolit dikompresi selama sintering. Dengan meningkatkan ikatan antara dua lapisan, resistansi pada antarmuka elektrolit-elektroda dapat dikurangi.
- Tungku sintering digunakan untuk mensinter senyawa katoda-elektrolit. Zat dipanaskan sampai tepat di bawah titik lelehnya.
- Porositas material yang dihasilkan dapat dimodifikasi berdasarkan parameter proses yang dipilih.
- Untuk menghindari reaksi dengan lingkungan, proses sintering terjadi dalam atmosfer inert atau vakum.
- Sintering sangat penting untuk elektrolit padat berbasis oksida untuk mencapai toleransi antarmuka yang cukup rendah.
Produksi senyawa lapisan (Penguapan termal):
Proses produksi:
- Anoda dapat diterapkan pada senyawa katoda-elektrolit menggunakan penguapan termal. Isi anoda terbuat dari lithium metalik.
- Penguapan termal membutuhkan pemanasan litium logam hingga suhu di atas titik didih, seperti dengan evaporator berkas elektron, sehingga dapat mencapai fase uap. Di ruang vakum, uap menyebar secara merata.
- Kondensasi membentuk lapisan pada permukaan elektrolit yang bertemperatur lebih rendah.
- Penguapan termal terjadi di ruang vakum, sebanding dengan sputtering.
