Kietosios būklės ličio baterijos laikomos „galutine akumuliatoriaus technologija“, tačiau sąsajos varžos problema tarp kieto elektrolito ir teigiamų bei neigiamų elektrodų visada buvo kliūtis, trukdanti jų masinei gamybai. Pastaraisiais metais mokslininkai palaipsniui įveikė šią kliūtį, modifikuodami sąsajos modifikavimą, medžiagų suderinimą ir apdorojimo inovacijas, leisdami kietojo kūno akumuliatoriaus ląstelėms pereiti nuo laboratorinių duomenų prie komercinės bandymo gamybos.
1 Sąsajos varžos šaknis: dvigubi fizikos ir chemijos iššūkiai
Pagrindinė sąsajos varžos priežastis yra „blogas kontaktas“. Kietieji elektrolitai dažniausiai yra standžios keramikos (pvz., LLZO), turinčios fizinius tarpus tarp jų ir lanksčių elektrodų medžiagų, todėl kontaktinė sritis yra tik 30–50%, o tai trukdo ličio jonų laidumo keliui. Dar sudėtingesnis yra cheminio suderinamumo klausimas. Kai sulfido elektrolitai liečiasi su aukštu nikelio katodais, sąsajos reakcijos sukelia izoliacines fazes, tokias kaip Li ∝ po ₄, todėl varža nuolat didėja ciklo metu. Po 50 ciklų tam tikro sulfido kietojo kūno akumuliatoriaus elemento sąsajos varža padidėja tris kartus, o talpos skilimas siekia 40%.
Temperatūros įtaka sąsajos varžui yra reikšmingesnė. Kietų elektrolitų joninis laidumas yra jautrus temperatūrai. Esant –20 laipsnių, LLZO keraminių elektrolitų laidumas sumažėja nuo 10 ⁻⁴ s/cm kambario temperatūroje iki 10 ⁻⁶ s/cm, o sąsajos varža padidėja daugiau nei 10 kartų, todėl ląstelė beveik nesugeba veikti esant žemai temperatūrai.
2 sąsajos modifikavimo technologija: efektyvių laidumo kanalų konstrukcija
Kinijos mokslų akademijos komandos sukurta „gradiento buferio sluoksnio“ technologija pristato Li ∝ po ₄ - Li ₂ co ∝ Composite sluoksnį tarp elektrolito ir teigiamo elektrodo, kuris pašalina fizines spragas ir slopina šonines reakcijas, mažindamas sąsajos varžą 70% ir padidindama kambario temperatūros laidumą, esantį 1ms/cm, iki 70%. Japonijos kompanija priima „atominio sluoksnio nusėdimo“ technologiją, skirtą 5 nm storio Al ₂ O3 plėvelei įdaryti ant elektrolito paviršiaus, o tai padidina sąsajų jungimosi jėgą kaip „molekuliniai klijai“ ir padidina ciklo tarnavimo laiką viršyti 1000 kartų.
Išankstinis litravimo gydymas yra raktas į neigiamos elektrodų sąsajos problemos sprendimą. Išankstinis metalo ličio implantacija ant silicio pagrindu pagaminto neigiamo elektrodo paviršiaus sudaro stabilų ličio lydinio sluoksnį, kuris gali išvengti tiesioginės reakcijos tarp kietojo elektrolito ir silicio. Neigiama elektrodų sąsajos varža iš anksto nustatyta kietos akumuliatoriaus elemento varža sumažėja 60%, o pirmasis krūvio išleidimo efektyvumas padidėja nuo 75%iki 92%.
3 Medžiagos suderinimas ir proceso naujovės: Masinės gamybos ir įgyvendinimo spartėjimas
Medžiagų suderinamumo dizainas yra toks pat labai svarbus. Sulfido kietų elektrolitų (tokių kaip Li ₇ P ∝ S ₁₁) yra blogas suderinamumas su aukšto nikelio katodais. Tam tikra įmonė sukūrė „mangano turtingą katodą“ (NI60% MN30% CO10%), kad sumažintų reaktyvumą sulfidais ir padidintų ciklo tarnavimo laiką nuo 200 iki 1000 ciklų. Polimerų elektrolitai (pvz., PEO) yra labiau suderinami su ličio geležies fosfatu, o kietojo kūno akumuliatoriaus ląstelės kartu su dviem gali išlaikyti 85% talpos sulaikymo greitį net po 1500 ciklų esant 60 laipsnių, todėl gali būti galimas sprendimas energijos kaupimo srityje.
Technologinės inovacijos pagreitina masinės gamybos procesą. Tradicinį „krovimo pakuotės“ procesą sunku užtikrinti artimas kontaktas tarp kieto elektrolito ir elektrodo. Naujai sukurta „karšto presavimo liejimo“ technologija integruoja tris iki 150 laipsnių ir 10MPA slėgio, o sąsajos kontaktinė sritis viršija 95%. Tam tikros automobilių kompanijos kietojo kūno akumuliatoriaus ląstelių bandymų gamybos linija priima šį procesą, kurio vienos eilutės talpa yra 1GWh, o išlaidų sumažinimas-60%, palyginti su laboratorijos etapu, o 2027 m. Padėjo pagrindą didelio masto pritaikymui.