Baterai solid state telah menjadi teknologi paling menjanjikan untuk menggantikan baterai litium. MIT telah merangkum kemajuan terbaru dalam teknologi baterai solid-state

Baterai solid state (SSB) adalah teknologi baterai baru dengan kepadatan energi tinggi yang dapat bersaing dengan baterai lithium-ion (LIB), yang menyediakan daya untuk berbagai perangkat elektronik di pasar saat ini. Tidak seperti baterai lithium-ion tradisional, baterai solid-state memiliki elektrolit keramik padat yang memisahkan anoda dan katoda di dalam baterai. Pada beberapa baterai, desain ini dapat menggunakan litium sebagai anoda.

Sebelum baterai solid-state dapat dikomersialkan dan diterapkan dalam skala besar, para peneliti harus mengidentifikasi strategi hemat biaya untuk memproduksi masing-masing komponen dan mengembangkan desain sel baterai yang menjanjikan. Para peneliti dari Massachusetts Institute of Technology (MIT) telah menulis artikel ulasan yang merangkum perkembangan terkini di lapangan dan menguraikan strategi untuk memproses elektrolit padat dan sambungan seri elektrolit/katoda, yang dapat digunakan untuk desain SSB di masa depan.

Karena fakta bahwa sebagian besar penelitian sebelumnya berfokus pada elektrolit padat granular, 75% biaya produksi yang diuraikan dalam prediksi biaya SSB saat ini terlalu dilebih-lebihkan, karena didasarkan pada teknologi sintering klasik suhu tinggi untuk pemrosesan elektrolit padat. Salah satu peneliti yang melakukan penelitian ini, Moran Balash, menjelaskan bahwa beberapa prediksi menunjukkan bahwa jika biaya adalah faktor penentu, maka biaya SSB berbasis elektrolit padat oksida tinggi dan hampir tidak mungkin bersaing dengan LIB. Kami memberikan solusi manufaktur suhu rendah yang memengaruhi perakitan baterai, dan menyarankan agar para peneliti tidak hanya melaporkan dan merefleksikan diagram transportasi Li+ Arrhenius klasik dan jendela stabilitas elektrokimia, namun juga merefleksikan 'anggaran pemrosesan panas' yang baru.

Dalam makalahnya, Rupp dan rekannya menekankan bahwa kini terdapat peluang yang cukup untuk memproduksi film elektrolit SSB keramik pada suhu rendah, dengan kisaran ukuran 1-20um. Selain itu, mereka juga mengusulkan bahwa strategi yang ada dapat mengurangi biaya produksi SSB dengan menghindari strategi pembakaran bersama yang mahal dalam memproduksi katoda dan elektrolit.

Misalnya, jika co-sintering suhu tinggi dihindari dalam desain dan pembuatan baterai oksida SSB, lebih sedikit kobalt yang dapat digunakan untuk memproduksi bahan katoda, sehingga membantu menghindari konflik sumber daya geopolitik di masa depan, jelas Rupp.

Di masa depan, strategi co-sintering alternatif yang dibahas oleh Rupp dan rekan-rekannya dapat mempengaruhi daya saing baterai solid-state berbasis litium teroksidasi. Selain itu, mereka juga dapat membuka jalan bagi penelitian lebih lanjut mengenai baterai padat bersuhu rendah untuk kendaraan listrik atau produk elektronik portabel.

Sejauh ini, sebagian besar penelitian berbasis laboratorium di dunia akademis memilih untuk memproduksi partikel sinter sebagai bahan uji dan merakit baterai, dengan hanya sedikit kelompok yang mempelajari solusi alternatif, seperti mengembangkan pita magnetik dan film tipis untuk beradaptasi dengan penerapan dan desain kompetitif SSB dengan elektrolit tipis dan kokoh. Ada banyak alasan historis terkait dengan pengembangan bidang ini, namun kelemahannya adalah sintering partikel yang terlalu kuat, sehingga membatasi integrasi katoda reduksi kobalt. Dimensi eksternalnya tidak ideal, dan biaya prosesnya tinggi, karena lebih banyak bahan katoda ini hanya tidak stabil (melalui diagram fase) dalam pembakaran bersama suhu tinggi dengan komponen elektrolitik.

Makalah review yang ditulis oleh Rupp dan rekan-rekannya pada akhirnya menyampaikan pesan yang cukup sederhana. Lebih khusus lagi, ini menekankan manfaat transisi ke sintesis elektrolit SSB, menjadikan ukurannya serupa dengan pemisah polimer klasik di LIB. Menurut para peneliti, transformasi seperti itu bermanfaat untuk memperbaiki struktur SSB dan mengurangi biayanya, sekaligus memberikan kemungkinan baru untuk mengintegrasikan katoda non kobalt dalam skala yang lebih besar.

Kami terkejut menemukan bahwa meskipun desain SSB dengan persyaratan teknis memiliki elektrolit yang tipis dan kokoh, masih terdapat kekurangan data di bidang ini yang menunjukkan sebagian besar diagram Arrhenius dan jendela elektrokimia berdasarkan partikel sinter berukuran milimeter. Juan Carlos Gonzalez Rosillo adalah salah satu penulis pertama.

Meskipun beberapa penelitian telah menyoroti potensi SSB dengan ketebalan komponen hanya beberapa mikrometer, sejauh ini, hanya sedikit tim yang mengusulkan strategi efektif untuk produksi komponen ini dalam skala besar. Dalam makalahnya, Rupp dan rekan-rekannya mengusulkan metode yang pada akhirnya dapat mencapai tujuan tersebut, berdasarkan bukti penelitian yang dikumpulkan selama beberapa tahun terakhir.

Beberapa pertanyaan yang kami ajukan dalam makalah ini adalah: metode apa yang cocok untuk mengembangkan komponen-komponen ini, dan yang terpenting, bagaimana metode ini akan mempengaruhi anggaran pemrosesan termal untuk mengurangi biaya dan memberikan pilihan untuk menghindari sintering komponen katoda/elektrolit? Rupp menambahkan: Tinjauan kami adalah upaya sederhana untuk menginspirasi tim lain untuk mencari solusi alternatif untuk pembuatan SSB yang tipis dan kokoh, serta elektrolit untuk SSB.

Pada penelitian selanjutnya, peneliti berencana untuk fokus pada dua aspek utama pengembangan SSB. Pertama, mereka berharap dapat menguraikan berbagai strategi lain yang dapat digunakan untuk memproses katoda dan elektrolit SSB, tanpa bergantung pada proses co-sintering.

Rupp menjelaskan bahwa ini semua merupakan alternatif yang menantang dan jauh lebih memakan waktu daripada proses yang didasarkan pada rute klasik dari bubuk ke partikel atau pita, karena terdapat banyak parameter dan protokol densifikasi terbaik, namun tetap mempertahankan stoikiometri komposisi kimia padat tidaklah mudah. sesederhana itu. Namun, jika tantangan ini teratasi, hal ini dapat memberikan metode manufaktur alternatif yang berharga, yang merupakan batu pembuka menuju integrasi jangka panjang dari lebih banyak bahan katoda pereduksi kobalt.

Rupp dan rekan-rekannya juga berencana melakukan penelitian baru untuk mengeksplorasi cara mempercepat pengembangan dan implementasi SSB dalam skala besar. Saat ini, perancangan, pengembangan, dan pembuatan elektrolit SSB di lingkungan laboratorium diperkirakan memakan waktu rata-rata lebih dari 10 tahun. Mengurangi faktor ukuran komponen ini mungkin memerlukan waktu tambahan 5-10 tahun. Jangka waktu yang lama ini menyoroti perlunya teknik pemrosesan yang lebih cepat.

Dalam penelitian kami saat ini, kami mengeksplorasi dan menyajikan perspektif penyaringan cepat dan pemrosesan otomatis cepat senyawa keramik dan komponen kimianya untuk menguji kinerja dan mengulangi rute produksi optimal dengan lebih cepat. Hal ini tidak sesederhana yang dibayangkan orang, karena jalur pemrosesan baterai solid-state tradisional di dunia akademis menggunakan bubuk atau senyawa sinter, yang memiliki tingkat kerumitan tertentu untuk penyaringan cepat dan menjalankan siklus otomatis. Kami berharap dapat mendukung pekerjaan kami melalui contoh dan analisis spesifik, karena metode potensial ini lebih cocok untuk mencari kondisi pemrosesan terbaik untuk siklus cepat dan otomatisasi, serta untuk merancang dan memproduksi komponen dan baterai untuk baterai solid-state di masa depan.