全新熔体渗透技术：可使电动汽车固态电池成本降低、快速生产

最近，美国佐治亚理工学院的材料研究团队发现了一种新的熔体渗透技术。在这项技术的作用下，固态汽车锂离子电池可以通过与传统液体电解质制备的电池相同的生产工艺生产出来。

这项技术使用不易燃的陶瓷电解质，它可以渗透到多孔和紧密包装的热稳定电极中。在无压力的条件下，包括多层电极隔板叠层的熔融固体电解质可以渗透到多孔体中，然后可以生产高密度复合材料。

研究成果发表在名为《电解质熔渗技术可扩展制造无机全固态锂离子电池》的期刊上。美国佐治亚理工学院材料科学与工程学院教授Gleb Yushin教授为本文通讯作者。

众所周知，全固态锂(Li)金属和锂离子电池(ASSLB)由于其无机固体电解质，为电动汽车和其他应用提供了更高的安全性。然而，现今的无机ASSLB制造技术具有成本高的缺点。过多的固体电解质和导电添加剂会导致低体积能量密度。因此，迫切需要开发一种能够降低固体电池生产成本、提高体积能量密度的制备技术。

在该项研究中，研究人员采用了使用液体电解质的低成本锂离子电池制造工艺，不但使用低熔点固态电解质，而且在中等温度（300摄氏度或更低）下呈液态渗入致密、热稳定的电极中，之后在冷却过程中凝固。

在这项研究中，研究人员采用了一种使用液体电解质的锂离子电池低成本制造工艺，不仅使用了低熔点的固体电解质，而且在中等温度(300摄氏度或更低)下以液体形式渗透到致密且热稳定的电极中，然后在冷却过程中固化。

用这种节能的方法用LiNi制备无机ASSLB，大大降低了工业采用的障碍。因此，采用该技术制备了正极为LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2，负极为Li4Ti5O12和石墨的无机ASSLBs，加速了ASSLBs早日商品化。

Gleyushin解释说:“尽管传统固体电解质的熔点范围可以从700摄氏度到1000摄氏度以上，但我们在更低的温度范围内运行，根据电解质的成分，大约为200摄氏度到300摄氏度。它们在较低的温度下制造起来更快更容易。并且在低温下，包括聚合物粘合剂或胶水的标准电极组件可以保持稳定。”

该技术可用于大型汽车锂离子电池。它采用了与传统液体电解质电池相同的制造工艺，但不是使用液体电解质，而是使用100%固体不燃陶瓷，因此变得更加安全。

目前，这项技术正在申请专利。这项技术借鉴了两个方面，液体电解质的低成本和商用锂离子电池的制造方法。但在生产过程中，工艺改为固体电解质，其低熔点可使其熔化并渗入致密电极。结果表明，有30多年经验的锂离子电池可以借鉴成熟的工具和制备技术。在这种条件下，我们可以快速大规模生产任何尺寸或形状的高质量多层电池。

乔治亚理工学院的研究生、该论文第一作者Yiran Xiao解释说：“熔渗技术是关键的进步。锂离子电池的循环寿命和稳定性在很大程度上取决于工作条件，尤其是温度。如果电池长时间长时间过热，它们通常会开始过早退化，并且过热的电池可能着火。这促使几乎所有电动汽车（EV）都配备了复杂且昂贵的冷却系统。相比之下，固态电池可能只需要加热器，这比冷却系统便宜得多。”

佐治亚理工学院研究生、论文第一作者张宗为·肖解释说:“渗透技术是一项关键进展。锂离子电池的循环寿命和稳定性取决于工作条件，尤其是温度。如果电池长时间过热，通常会过早开始老化，过热的电池可能会着火。这促使几乎所有的电动汽车都配备了复杂而昂贵的冷却系统。相比之下，固态电池可能只需要加热器，比冷却系统便宜得多。”

开发的熔体渗透技术可以与各种化学材料兼容，包括所谓的转换电极。目前，这种材料已被证明可将汽车电池的能量密度提高20%以上，将汽车内的能量密度提高100%以上。”佐治亚理工学院的科学家科斯蒂安廷·图尔奇纽克说。他指出，“更高密度的电池支持更长的行驶距离，而电池需要大容量电极来实现性能的飞跃。

尽管佐治亚理工学院的技术目前尚未投入商业应用，但尤欣预测，“如果未来电动汽车市场将采用固态电池实现常态化，那么这可能是唯一的途径，因为这将允许制造商使用他们现有的产品设施和基础设施。这就是为什么我们关注这个项目，这是我们实验室追求的最具商业可行性的创新领域之一。”

据报道，电池价格将在2020年首次达到每千瓦时100美元。尤申在接受媒体采访时表示，“他们不得不将价格降至每千瓦时70美元以下，以便全面打开消费级电动汽车市场。电池创新对这种情况至关重要。科学家们正在研究和优化高温电解质，这种电解质不仅在电池中使用要昂贵得多，而且有五种之多。与液体电解质相比，它的重量是液体电解质的两倍。”

目前，研究团队专注于是否可以使用相同的技术开发其他熔点更低、电导率更高的电解质。这种制造工艺的技术为该领域的更多创新打开了闸门，电池制造商未来将能够生产出更轻、更安全、更节能的电池。