Η LG αναλύει το μεγάλο εμπόδιο που καθυστερεί τις solid state μπαταρίες

Η LG αναλύει το μεγάλο εμπόδιο που καθυστερεί τις solid state μπαταρίες

Η ανακοίνωση της LG Energy Solution δεν αφορά μία άγνωστη μέχρι σήμερα αδυναμία της τεχνολογίας, αλλά το δυσκολότερο στάδιο της εξέλιξης, τη μεταφορά από μικρά εργαστηριακά δείγματα σε μεγάλες, πολυστρωματικές κυψέλες αυτοκινήτου. Σε μία συμβατική μπαταρία, ο υγρός ηλεκτρολύτης εισχωρεί στους πόρους των ηλεκτροδίων και διατηρεί την ιοντική επαφή. Στις μπαταρίες στερεάς κατάστασης πρέπει να κατασκευαστεί μία συνεχής στερεή διαδρομή για τα ιόντα λιθίου, χωρίς κενά, ρωγμές και περιοχές υψηλής αντίστασης. Όταν μεγαλώνει η επιφάνεια της κυψέλης, αυξάνεται και η πιθανότητα να υπάρχει κάποιο τοπικό ελάττωμα, από το οποίο μπορεί να περάσει μεταλλικό λίθιο και να δημιουργήσει εσωτερικό βραχυκύκλωμα. Πείραμα σε ηλεκτρολύτη θειούχου λιθίου και φωσφόρου έδειξε ότι η ανάπτυξη νημάτων λιθίου καταστελλόταν μόνο όταν η σχετική πυκνότητα του στερεού υλικού ξεπερνούσε το 95%. Για σχεδόν πλήρη πύκνωση άνω του 99% στα συγκεκριμένα δοκίμια χρειάστηκε πίεση κατασκευής μεγαλύτερη από 600MPa, ενώ πόροι διαμέτρου μόλις 0,2 έως 2μm μπορούσαν να λειτουργήσουν ως διαδρομές διείσδυσης του λιθίου. Το εργαστηριακό αποτέλεσμα δεν σημαίνει ότι κάθε κυψέλη παραγωγής χρειάζεται τέτοια πίεση κατά τη λειτουργία της. Δείχνει όμως πόσο απαιτητική είναι η κατασκευή ενός μεγάλου, λεπτού και ομοιόμορφου φύλλου ηλεκτρολύτη χωρίς επικίνδυνες ατέλειες.

Η LG αναλύει το μεγάλο εμπόδιο που καθυστερεί τις solid state μπαταρίες

Το δεύτερο εμπόδιο είναι η μηχανική συμπεριφορά της κυψέλης. Τα ενεργά υλικά μεταβάλλουν τον όγκο τους κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται κενά, αποκολλήσεις και ρωγμές στις στερεές επαφές. Σε θειούχα κυψέλη που δοκιμάστηκε με πίεση 0,3MPa, η χωρητικότητα μειώθηκε περισσότερο από 40% μέσα σε 50 κύκλους. Η ανάλυση έδειξε ότι σημαντικό μέρος της φθοράς προερχόταν από τη θετική ηλεκτρόδιο NCM και από αντιδράσεις του θειούχου ηλεκτρολύτη στα όρια των κρυσταλλικών κόκκων, οι οποίες παγίδευαν ενεργό λίθιο. Η αύξηση της πίεσης μπορεί να διατηρήσει καλύτερα τις επαφές, αλλά σε μία μεγάλη κυψέλη πρέπει να εφαρμόζεται ομοιόμορφα σε ολόκληρη την επιφάνεια. Τα πρόσθετα πλαίσια συμπίεσης αυξάνουν βάρος, όγκο και κόστος, περιορίζοντας μέρος του θεωρητικού πλεονεκτήματος στην ενεργειακή πυκνότητα. Ακόμη και πολυστρωματική κυψέλη με στερεό πολυμερή ηλεκτρολύτη, διαφορετικής χημείας από εκείνη που εξελίσσει η LG, δοκιμάστηκε στους 45°C και υπό πίεση 3,74MPa για να επιτύχει 280Wh/kg. Οι θειούχοι ηλεκτρολύτες της LG προσθέτουν ακόμη μία κατασκευαστική δυσκολία, επειδή υποβαθμίζονται από ίχνη υγρασίας και από πολικούς διαλύτες όπως το NMP. Για αυτό εξελίσσεται στεγνή διαδικασία παραγωγής ηλεκτροδίων και ηλεκτρολύτη, χωρίς διαλύτες. Η LG εξακολουθεί να προγραμματίζει εμπορική αξιοποίηση το 2029, αρχικά σε ακριβά ηλεκτρικά υψηλών επιδόσεων. Αυτό δεν ισοδυναμεί με άμεση μαζική παραγωγή για προσιτά EV. Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης δεν αποτελούν μία ενιαία τεχνολογία και τα προβλήματα διαφέρουν μεταξύ θειούχων, οξειδικών και πολυμερών ηλεκτρολυτών