По словам Хунтао Суна, доцента кафедры промышленной инженерии, твердотельные аккумуляторы, в которых вместо жидких электролитов используются SSE, являются ведущей альтернативой традиционным литий-ионным батареям. Он объяснил, что, несмотря на ключевые различия, батареи работают аналогично на фундаментальном уровне.

"Аккумуляторные батареи содержат два внутренних электрода: анод с одной стороны и катод с другой", - сказал Сан. "Электролиты служат мостиком между этими двумя электродами, обеспечивая быструю передачу электропроводности. В литий-ионных батареях используются жидкие электролиты, в то время как в твердотельных батареях используются SSE."

Твердотельные аккумуляторы обеспечивают повышенную стабильность и безопасность по сравнению с традиционными литий-ионными батареями, но сталкиваются с рядом производственных проблем и проблем с проводимостью, пояснила Sun. Например, высокие температуры, возникающие в процессе изготовления, особенно при изготовлении SSE на основе керамики, могут препятствовать их производству и практическому внедрению.

Чтобы преодолеть эту проблему, Сан и его команда использовали метод, известный как холодное спекание - процесс, при котором порошкообразные материалы нагреваются, обрабатываются жидким растворителем и прессуются в более плотную форму, - для создания высокопроводящего керамико-полимерного композита SSE, известного как LATP-PILG. Этот метод называют "холодным", поскольку он работает при значительно более низких температурах обработки, чем традиционное спекание, вместо этого полагаясь на приложенное давление и небольшое количество жидкого растворителя для завершения процесса. Они опубликовали свой подход в журнале Materials Today Energy.

Традиционные SSE на основе керамики обычно состоят из поликристаллических зерен - материалов, состоящих из сотен крошечных кристаллов, разделенных границами зерен. Согласно Sun, эти границы зерен считаются дефектами, которые препятствуют переносу проводящих ионов. Чтобы уменьшить потери проводимости в SSE на основе керамики, команда Sun совместно спечила полиионный жидкий гель (PILG) с керамикой LATP, образовав композит SSE "полимер в керамике", идеальный материал для использования благодаря своей стабильности и высокой проводимости.

PILG действует как высокопроводящая "граница зерен" в SSE, облегчая перенос ионов через спроектированные границы, а не через подверженные дефектам естественные границы раздела. Sun сказала, что команда первоначально попыталась использовать традиционное высокотемпературное спекание для разработки своих новых SSE, но они сразу же столкнулись с проблемами.

"Одна из проблем при изготовлении композитных материалов на основе LATP заключается в том, что температура спекания керамики очень высока, вплоть до того, что при традиционном спекании фактически сгорают любые добавки, такие как полимерный компаунд, прежде чем керамика сможет быть должным образом уплотнена", - сказал Сан. "Вот почему нам пришлось применить холодное спекание, чтобы поддерживать температуру намного ниже".

Технология холодного спекания была первоначально разработана в 2016 году в рамках исследовательского проекта, возглавляемого Клайвом Рэндаллом, директором университета штата Пенсильвания.?Институт исследования материалов и? заслуженный профессор материаловедения и инженерии. Его применение для разработки твердотельных аккумуляторов началось в 2018 году, когда аспирант лаборатории Энрике Гомеса, профессора химической инженерии и временно исполняющего обязанности заместителя декана по вопросам равенства и инклюзивности Инженерного колледжа, разработал керамические композитные электролиты холодного спекания.

По данным Sun, для традиционного спекания требуется температура около 80% от температуры плавления материала, которая для керамических компаундов, таких как LATP, может легко достигать 900-1000 градусов Цельсия.

"Для этого применения нам удалось поддерживать температуру спекания очень низкой, около 150 градусов по Цельсию", - сказал Сан. "Это позволяет нам объединять различные виды материалов в форму с высокой плотностью, используя процесс холодного спекания, независимо от их различных температур обработки".

Спекая керамику LATP с гелем PILG, команда Sun разработала композитные SSE, обладающие, помимо прочих преимуществ, высокой ионной проводимостью при комнатной температуре.

"В дополнение к улучшенной проводимости наш композит SSE "полимер в керамике" продемонстрировал очень широкий диапазон напряжений - от 0 до 5,5 вольт", - сказал Сан, объяснив, что традиционные жидкие электролиты имеют диапазон от 0 до 4 вольт. "Большое окно напряжения наших керамических SSES позволяет использовать высоковольтные катоды, что позволяет батарее вырабатывать больше энергии в целом".

Для Sun применение этой технологии холодного спекания когда-нибудь может выйти за рамки улучшения аккумуляторов. Он сказал, что, по его мнению, холодное спекание имеет большое значение для того, как компании подходят к использованию керамических композиционных материалов в общем производстве, а также в более специфических отраслях, таких как производство полупроводников.

"Наша следующая цель - разработать устойчивую производственную систему, которая поддерживает крупномасштабное производство и возможность вторичной переработки, поскольку это станет ключом к промышленному применению этой технологии", - сказал Сан. "Это большое видение, к которому мы надеемся стремиться в ближайшие годы".

Помимо Сунь, соавторами являются Та-Вэй Ван, Сок Ву Ли и Чжучен Чжан, докторанты Пеннского государственного университета в области промышленного инжиниринга, и Бо Не, выпускник программы Penn State industrial and manufacturing engineering graduate.