Корейская команда представляет универсальные принципы проектирования твердотельных батарей

Корейская исследовательская группа представила первые универсальные принципы проектирования твердотельных аккумуляторов, сигнализируя о смене парадигмы в исследованиях конструкции аккумуляторов, для которых ранее не существовало стандартных критериев.

Доктор Джинсу Ким из Ульсанского центра исследований и разработок передовых энергетических технологий Корейского института энергетических исследований (KIER) и исследовательская группа профессора Сунг-Гюн Юнга из Национального института энергетики Ульсана, науки и технологий (UNIST) совместно разработали принципы проектирования. а также универсальный инструментарий для проектирования твердотельных батарей с высокой плотностью энергии и полной проверки их работоспособности.

Этот документ опубликовано в газете Природные коммуникации.

С ростом глобального спроса на электрификацию приближается эра, когда все будет питаться от батарей. В ответ правительство Кореи объявило о «Национальной стратегии повышения конкурентоспособности аккумуляторной промышленности» для поддержки целевого развития отечественной технологии твердотельных аккумуляторов.

В твердотельных батареях используются негорючие твердые электролиты вместо легковоспламеняющихся жидких электролитов, содержащихся в литий-ионных батареях, что делает их более безопасными и менее склонными к возгоранию. Кроме того, они предлагают преимущество значительного увеличения плотности энергии за счет эффективного структурного проектирования ячеек и систем.

До недавнего времени проводились фундаментальные исследования твердотельных батарей, многие результаты были получены в лаборатории. Однако отсутствие научных указаний по проектированию практических электродов и ячеек привело к неэффективной разработке, поскольку она в первую очередь опирается на опыт исследователей в сочетании материалов и контроле параметров конструкции.

Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа определила количественные параметры конструкции батареи, такие как порог баланса, порог перколяции и порог заряда. Это привело к представлению первых универсальных принципов конструкции твердотельных батарей. Пакетный элемент, изготовленный на основе этих принципов, продемонстрировал плотность энергии 310 Втч/кг, что превосходит плотность коммерческих литиевых батарей, и получил сертификацию третьей стороны.

Твердотельные аккумуляторы состоят из составного катода, анода и твердого электролита. Плотность энергии увеличивается с увеличением плотности активных материалов катода. Основываясь на «закрытой кубической» структуре, в которой сферические частицы расположены с максимальной плотностью, исследовательская группа определила стандартное соотношение твердого электролита, заполняющего пространства между частицами, как «порог равновесия».

При этом пороге равновесия объемная доля активного материала составляет 74%, а твердого электролита — 26%. Регулируя соотношение на основе этого значения, можно определить стратегию проектирования между плотностью энергии и плотностью мощности.

Также установлено условие минимальной проводимости ионов лития в составном катоде. Исследовательская группа определила минимальную плотность, при которой композитные частицы активных материалов и твердых электролитов контактируют друг с другом, как «порог перколяции».

В этих условиях пространство между частицами композита должно составлять 26% и менее. Если зазор превышает этот процент, частицы не будут контактировать, препятствуя потоку ионов и препятствуя работе аккумулятора.

Кроме того, исследовательская группа разработала метод расчета толщины электрода путем расчета конкретных условий, при которых происходит падение напряжения внутри катода. Толщина электрода определяется падением напряжения из-за сопротивления и плотности тока.

Команда определила идеальную модель как комбинацию условий, при которых падение напряжения составляет менее 100 мВ (милливольт), назвав это «порогом зарядки». Это условие можно использовать как ориентир для оптимизации толщины электродных пластин при комбинировании различных материалов и конструировании электродов.

Исследовательская группа успешно применила разработанные принципы проектирования для создания карманного элемента емкостью 0,5 Ач и высокой плотностью энергии 310 Втч/кг. Произведенная ячейка получила официальный сертификат испытаний Корейской лаборатории соответствия (KCL), демонстрирующий последовательность их конструктивных принципов.

Исследовательская группа также разработала набор инструментов для проектирования твердотельных аккумуляторов «SolidXCell», применив общедоступные принципы проектирования. SolidXCell — это многомасштабная и многопараметрическая платформа проектирования, которая позволяет интуитивно и систематически проектировать сложные твердотельные батареи. Он предоставляется исследователям бесплатно для использования при разработке твердотельных батарей.

Доктор Джинсу Ким из KIER и профессор Сунг-Кюн Юнг из UNIST, которые руководили совместным исследованием, сказали: «Внедрение универсальных принципов проектирования твердотельных батарей с разработкой и распространением набора инструментов для проектирования принесет большую пользу в области твердотельных батарей. Государственный дизайн батареи. Мы надеемся, что многие исследователи смогут использовать эти принципы для эффективного проектирования твердотельных батарей, значительного улучшения производительности и преодоления существующих технологических барьеров. »

Совместная исследовательская группа создает «Литейный завод по производству передовых батарей (ABEF)», первый в своем роде в Республике Корея, при поддержке Корейского института технологического прогресса и столичного города Ульсана. В будущем этот центр будет обеспечивать инфраструктуру для производства, оценки и анализа прототипов полностью твердотельных батарей, литий-металлических батарей и литий-серных батарей для соответствующих компаний.