แบตเตอรี่โซลิดสเตตลิเธียมถือว่าเป็น "เทคโนโลยีแบตเตอรี่ขั้นสูงสุด" แต่ปัญหาความต้านทานต่อการเชื่อมต่อระหว่างอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งและขั้วไฟฟ้าเชิงบวกและลบนั้นเป็นคอขวดที่ขัดขวางการผลิตมวลของพวกเขาเสมอ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ได้ค่อยๆเอาชนะอุปสรรค์นี้ผ่านการปรับเปลี่ยนอินเตอร์เฟสการจับคู่วัสดุและนวัตกรรมกระบวนการทำให้เซลล์แบตเตอรี่โซลิดสเตตย้ายจากข้อมูลในห้องปฏิบัติการไปสู่การผลิตทดลองเชิงพาณิชย์
1 รากของความต้านทานอินเตอร์เฟส: ความท้าทายสองประการของฟิสิกส์และเคมี
สาเหตุของความต้านทานต่อการเชื่อมต่ออยู่ใน "การติดต่อที่ไม่ดี" อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งส่วนใหญ่เป็นเซรามิกที่แข็ง (เช่น LLZO) โดยมีช่องว่างทางกายภาพระหว่างพวกเขาและวัสดุอิเล็กโทรดที่ยืดหยุ่นส่งผลให้พื้นที่สัมผัสเพียง 30% -50% ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อเส้นทางการนำลิเธียมไอออน สิ่งที่ท้าทายยิ่งกว่าคือปัญหาของความเข้ากันได้ทางเคมี เมื่ออิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์สัมผัสกับแคโทดนิกเกิลสูงปฏิกิริยาอินเตอร์เฟสเกิดขึ้นเพื่อสร้างเฟสฉนวนเช่น Li ∝ PO ₄ทำให้เกิดความต้านทานเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในระหว่างการขี่จักรยาน หลังจาก 50 รอบความต้านทานต่อการเชื่อมต่อของเซลล์แบตเตอรี่โซลิดสเตตซัลไฟด์บางตัวเพิ่มขึ้นสามเท่าและความจุจะถึง 40%
อิทธิพลของอุณหภูมิต่อความต้านทานต่อการเชื่อมต่อมีความสำคัญมากกว่า ค่าการนำอิออนของอิเล็กโทรไลต์ของแข็งคือความไวต่ออุณหภูมิ ที่ -20 องศาค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์เซรามิก LLZO ลดลงจาก 10 ⁻⁴ s/cm ที่อุณหภูมิห้องเป็น 10 ⁻⁶ s/cm ในขณะที่ความต้านทานต่อการเชื่อมต่อเพิ่มขึ้นมากกว่า 10 ครั้งทำให้เซลล์แทบจะไม่สามารถทำงานที่อุณหภูมิต่ำได้
2 เทคโนโลยีการปรับเปลี่ยนอินเตอร์เฟส: การสร้างช่องการนำไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพ
เทคโนโลยี "Groadient Buffer Layer" ที่พัฒนาโดยทีมงานของ Chinese Academy of Sciences แนะนำชั้นคอมโพสิตของ Li ∝ Po ₄ - Li ₂ Co ∝ ระหว่างอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรดเชิงบวกซึ่งช่วยลดช่องว่างทางกายภาพ บริษัท ญี่ปุ่นใช้เทคโนโลยี "การสะสมของชั้นอะตอม" เพื่อสะสมฟิล์มอัล₂ O3 หนา 5nm บนพื้นผิวของอิเล็กโทรไลต์ซึ่งช่วยเพิ่มแรงพันธะอินเตอร์เซียลเช่น "กาวโมเลกุล" และทำให้อายุการใช้งานเกิน 1,000 ครั้ง
การรักษา pre lithiation เป็นกุญแจสำคัญในการแก้ปัญหาอินเตอร์เฟสอิเล็กโทรดเชิงลบ การปลูกถ่ายลิเธียมโลหะบนพื้นผิวของอิเล็กโทรดเชิงลบที่ใช้ซิลิกอนก่อให้เกิดชั้นโลหะผสมลิเธียมที่มีเสถียรภาพซึ่งสามารถหลีกเลี่ยงการเกิดปฏิกิริยาโดยตรงระหว่างอิเล็กโทรไลต์ของแข็งและซิลิกอน อิเล็กโทรดอินเตอร์เฟสอิเล็กโทรดเชิงลบของเซลล์แบตเตอรี่ของแข็ง pre lithiated ลดลง 60%และประสิทธิภาพการปล่อยประจุครั้งแรกจะเพิ่มขึ้นจาก 75%เป็น 92%
3 การจับคู่วัสดุและนวัตกรรมกระบวนการ: เร่งการผลิตและการดำเนินการจำนวนมาก
การออกแบบความเข้ากันได้ของวัสดุมีความสำคัญเท่าเทียมกัน Sulfide Solid Electrolytes (เช่น Li ₇ P ∝ S ₁₁) มีความเข้ากันได้ไม่ดีกับแคโทดนิกเกิลสูง องค์กรบางแห่งได้พัฒนา "แคโทดที่อุดมไปด้วยแมงกานีส" (NI60% MN30% CO10%) เพื่อลดการเกิดปฏิกิริยากับซัลไฟด์และเพิ่มอายุการใช้งานจาก 200 เป็น 1,000 รอบ พอลิเมอร์อิเล็กโทรไลต์ (เช่น PEO) เข้ากันได้กับลิเธียมเหล็กฟอสเฟตมากขึ้นและเซลล์แบตเตอรี่โซลิดสเตตรวมกับทั้งสองสามารถรักษาอัตราการเก็บรักษาความจุ 85% แม้หลังจาก 1,500 รอบที่ 60 องศา
นวัตกรรมทางเทคโนโลยีช่วยเร่งกระบวนการผลิตจำนวนมาก กระบวนการ "บรรจุภัณฑ์สแต็ก" แบบดั้งเดิมนั้นยากที่จะให้แน่ใจว่าการสัมผัสอย่างใกล้ชิดระหว่างอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งและอิเล็กโทรด เทคโนโลยี "การอัดขึ้นรูปแบบร้อน" ที่พัฒนาขึ้นใหม่รวมทั้งสามภายใต้ 150 องศาและแรงดัน 10MPa ด้วยพื้นที่สัมผัสอินเตอร์เฟสมากกว่า 95% สายการผลิตของเซลล์แบตเตอรี่โซลิดสเตตของ บริษัท รถยนต์บางแห่งใช้กระบวนการนี้ด้วยความจุเส้นเดียวที่ 1GWh และลดต้นทุน 60% เมื่อเทียบกับขั้นตอนห้องปฏิบัติการวางรากฐานสำหรับการใช้งานขนาดใหญ่ในปี 2570