Festkörperbatterien haben sich zur vielversprechendsten Technologie zum Ersatz von Lithiumbatterien entwickelt. Das MIT hat die neuesten Fortschritte in der Festkörperbatterietechnologie zusammengefasst

Festkörperbatterien (SSBs) sind eine aufstrebende Batterietechnologie mit hoher Energiedichte, die mit Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) konkurrieren kann, die auf dem aktuellen Markt verschiedene elektronische Geräte mit Strom versorgen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien verfügen Festkörperbatterien über einen festen Keramikelektrolyten, der Anode und Kathode im Inneren der Batterie trennt. Bei einigen Batterien kann bei diesem Design Lithium als Anode verwendet werden.

Bevor Festkörperbatterien kommerzialisiert und in großem Maßstab eingesetzt werden können, müssen Forscher kostengünstige Strategien für die Herstellung ihrer einzelnen Komponenten identifizieren und vielversprechende Batteriezellendesigns entwickeln. Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen Übersichtsartikel verfasst, in dem sie die neuesten Entwicklungen auf diesem Gebiet zusammenfassen und Strategien für die Verarbeitung von Festelektrolyten und Elektrolyt-/Kathoden-Reihenverbindungen skizzieren, die für zukünftige SSB-Designs verwendet werden können.

Aufgrund der Tatsache, dass sich die meisten bisherigen Forschungsarbeiten auf körnige Festelektrolyte konzentrierten, werden die in der aktuellen Kostenprognose für SSB genannten Produktionskosten von 75 % deutlich überschätzt, da sie auf der klassischen Hochtemperatur-Sintertechnologie für die Festelektrolytverarbeitung basieren. Einer der Forscher, die diese Studie durchführten, Moran Balaish, erklärte, dass einige Vorhersagen darauf hindeuten, dass, wenn die Kosten der entscheidende Faktor seien, die Kosten für SSB auf Basis von Oxid-Festelektrolyten hoch seien und es nahezu unmöglich sei, mit LIB zu konkurrieren. Wir bieten Fertigungslösungen bei niedrigen Temperaturen, die sich auf die Batteriemontage auswirken, und schlagen vor, dass Forscher nicht nur über das klassische Arrhenius-Transport-Li+-Diagramm und das elektrochemische Stabilitätsfenster berichten und darüber nachdenken, sondern auch über das neue „Heißverarbeitungsbudget“ nachdenken.

In ihrer Arbeit betonen Rupp und ihre Kollegen, dass es mittlerweile genügend Möglichkeiten gibt, keramische SSB-Elektrolytfilme bei niedrigen Temperaturen mit einem Größenbereich von 1-20um herzustellen. Darüber hinaus schlugen sie vor, dass bestehende Strategien die Produktionskosten von SSB senken können, indem die teure Co-Firing-Strategie zur Herstellung von Kathoden und Elektrolyten vermieden wird.

Wenn beispielsweise beim Design und der Herstellung von SSB-Oxidbatterien Hochtemperatur-Co-Sintern vermieden wird, kann weniger Kobalt zur Herstellung von Kathodenmaterialien verwendet werden, was dazu beiträgt, künftige geopolitische Ressourcenkonflikte zu vermeiden, erklärt Rupp.

In Zukunft könnte die von Rupp und ihren Kollegen diskutierte alternative Co-Sinter-Strategie die Wettbewerbsfähigkeit von Festkörperbatterien auf Basis von oxidiertem Lithium beeinträchtigen. Darüber hinaus können sie den Weg für weitere Forschung zu Niedertemperatur-Feststoffbatterien für Elektrofahrzeuge oder tragbare elektronische Produkte ebnen.

Bisher haben sich die meisten Laborforschungen im akademischen Bereich für die Herstellung gesinterter Partikel als Testmaterialien und den Zusammenbau von Batterien entschieden, wobei nur wenige Gruppen alternative Lösungen untersuchen, beispielsweise die Entwicklung von Magnetbändern und dünnen Filmen, um sie an die Implementierung und das wettbewerbsfähige Design von SSBs anzupassen dünne und robuste Elektrolyte. Es gibt viele historische Gründe für die Entwicklung dieses Bereichs. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass die Partikel zu stark gesintert werden, was die Integration der Kobalt-Reduktionskathode einschränkt. Seine äußeren Abmessungen sind nicht ideal und die Prozesskosten sind hoch, da viele dieser Kathodenmaterialien nur beim Hochtemperatur-Kobrennen mit elektrolytischen Komponenten instabil sind (durch Phasendiagramme).

Der von Rupp und ihren Kollegen verfasste Übersichtsartikel vermittelte letztlich eine recht einfache Botschaft. Insbesondere werden die Vorteile des Übergangs zur Synthese von SSB-Elektrolyten hervorgehoben, wodurch ihre Größe der von klassischen Polymerseparatoren in LIBs ähnelt. Den Forschern zufolge ist eine solche Transformation wertvoll für die Verbesserung der SSB-Struktur und die Reduzierung ihrer Kosten, während sie gleichzeitig neue Möglichkeiten für die Integration von Nicht-Kobalt-Kathoden in größerem Maßstab bietet.

Wir waren überrascht, dass, obwohl SSB-Designs mit technischen Anforderungen über dünne und robuste Elektrolyte verfügen, es in diesem Bereich immer noch an Daten mangelt, die die meisten Arrhenius-Diagramme und elektrochemischen Fenster zeigen, die auf millimetergroßen gesinterten Partikeln basieren. Juan Carlos Gonzalez Rosillo war einer der ersten Autoren.

Obwohl mehrere Studien das Potenzial von SSBs mit Komponentendicken von nur wenigen Mikrometern hervorgehoben haben, haben bisher nur wenige Teams wirksame Strategien für die Produktion dieser Komponenten in großem Maßstab vorgeschlagen. In ihrer Arbeit schlugen Rupp und ihre Kollegen eine Methode vor, mit der dieses Ziel letztendlich erreicht werden kann, basierend auf Forschungsergebnissen, die in den letzten Jahren gesammelt wurden.

Einige der Fragen, die wir in der Arbeit aufgeworfen haben, lauten: Welche Methoden eignen sich für die Entwicklung dieser Komponenten und vor allem: Wie wirken sich diese Methoden auf das Budget für die thermische Verarbeitung aus, um die Kosten zu senken und Optionen zur Vermeidung des gemeinsamen Sinterns von Kathoden-/Elektrolytkomponenten bereitzustellen? Rupp fügte hinzu: „Unsere Überprüfung war ein bescheidener Versuch, andere Teams zu inspirieren, alternative Lösungen für die Herstellung dünner und robuster SSBs sowie Elektrolyte für SSBs zu erkunden.“

In der zukünftigen Forschung planen die Forscher, sich auf zwei Hauptaspekte der SSB-Entwicklung zu konzentrieren. Zunächst wollen sie verschiedene andere Strategien skizzieren, mit denen SSB-Kathoden und Elektrolyte verarbeitet werden können, ohne auf Co-Sinter-Prozesse angewiesen zu sein.

Rupp erklärte, dass dies alles herausfordernde und weitaus zeitaufwändigere Alternativen seien als Prozesse, die auf klassischen Pulver-zu-Partikel- oder Bandrouten basieren, da es ein weites Feld an Parametern und das beste Verdichtungsprotokoll gebe, die Stöchiometrie der festen chemischen Zusammensetzung jedoch nicht erhalten bleibe so einfach. Wenn die Herausforderungen jedoch gelöst werden, können diese wertvolle alternative Herstellungsmethoden bieten, was den Grundstein für die langfristige Integration von stärker kobaltreduzierenden Kathodenmaterialien legt.

Rupp und ihre Kollegen planen außerdem, neue Forschungsarbeiten durchzuführen, um herauszufinden, wie die groß angelegte Entwicklung und Implementierung von SSB beschleunigt werden kann. Derzeit wird geschätzt, dass die Entwicklung, Entwicklung und Herstellung von SSB-Elektrolyten in einer Laborumgebung durchschnittlich mehr als 10 Jahre in Anspruch nimmt. Die Reduzierung des Größenfaktors dieser Komponenten kann weitere 5-10 Jahre erfordern. Diese langen Zeiträume verdeutlichen die Notwendigkeit schnellerer Verarbeitungstechniken.

In unserer aktuellen Forschung untersuchen und präsentieren wir die Perspektive eines schnellen Screenings und einer schnellen automatisierten Verarbeitung von Keramikverbindungen und ihren chemischen Komponenten, um die Leistung zu testen und den optimalen Herstellungsweg schneller zu iterieren. Das ist nicht so einfach, wie man es sich vorstellt, da bei der traditionellen Verarbeitung von Festkörperbatterien in der Wissenschaft Pulver oder gesinterte Verbindungen zum Einsatz kommen, was für ein schnelles Screening und die Durchführung automatisierter Zyklen ein gewisses Maß an Komplexität aufweist. Wir hoffen, unsere Arbeit durch konkrete Beispiele und Analysen zu unterstützen, da diese potenziellen Methoden besser für die Suche nach den besten Verarbeitungsbedingungen für schnelle Zyklen und Automatisierung sowie für die Entwicklung und Herstellung von Komponenten und Batterien für zukünftige Festkörperbatterien geeignet sind.