阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用研究進(jìn)展讓人寄希望于固態(tài)電池將早日取代傳統(tǒng)的鋰離子電池。為電子設(shè)備(大到電動(dòng)汽車(chē)或小到手機(jī))中的電池充電已成為一項(xiàng)日?；顒?dòng)，就像裝載洗碗機(jī)一樣。主要為這些設(shè)備供電的鋰離子電池重量輕且生產(chǎn)成本低。然而，它們本質(zhì)上是易燃的，隨著電力和電網(wǎng)存儲(chǔ)需求的不斷增長(zhǎng)，這引起了人們對(duì)其安全性和可靠性的擔(dān)憂。

美國(guó)能源部 (DOE) 阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用研究表明，用更好的技術(shù)取代鋰離子電池可能比預(yù)期更快。

鋰離子電池仍然需要液體或凝膠來(lái)讓電池充電和放電;這就是為什么舊電池有時(shí)會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而泄漏的原因。新一代更安全的電池不依賴于液體或凝膠。相反，這些固態(tài)電池使用非常薄的固體薄膜來(lái)保持電荷產(chǎn)生部分(陰極和陽(yáng)極)分開(kāi)，并使電池能夠充電和放電。

多年來(lái)，來(lái)自整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家一直在固態(tài)電池背后的基礎(chǔ)科學(xué)中做出發(fā)現(xiàn)。然后，阿貢材料工程研究機(jī)構(gòu) (MERF) 的科學(xué)家們擴(kuò)大了這些發(fā)現(xiàn)，并使它們更接近市場(chǎng)。

“固態(tài)電池可以儲(chǔ)存更多能量，更安全，占用更少空間，”阿貢應(yīng)用材料部門(mén)的杰西卡·達(dá)勒姆說(shuō)，他與材料科學(xué)家阿爾伯特·利普森合作，生產(chǎn)創(chuàng)新的固體來(lái)替代電池中的液體材料。“與目前使用的制造工藝和技術(shù)相比，我們?cè)?MERF 開(kāi)發(fā)的制造工藝和技術(shù)具有特定的優(yōu)勢(shì)——更快的加工、無(wú)壓燒結(jié)、大規(guī)模均勻性和更高的密度。”

速度和一致性對(duì)電池制造的價(jià)值是顯而易見(jiàn)的，更高的密度可以提高電池的使用時(shí)間。改進(jìn)燒結(jié)工藝是釋放所有這些優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。

燒結(jié)可能是通往更好電池的橋梁

燒結(jié)涉及加熱粉末材料，直到它慢慢形成沒(méi)有任何孔洞或孔的固體材料。這個(gè)過(guò)程在固態(tài)電池中很重要，因?yàn)榉指絷帢O和陽(yáng)極的薄材料必須足夠堅(jiān)固和致密，以承受制造、組裝和操作過(guò)程中的處理。它還必須提供高性能;也就是說(shuō)，電池必須允許快速充電，導(dǎo)電良好并持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。

通過(guò)改進(jìn)燒結(jié)過(guò)程，阿貢的科學(xué)家們還可以用鋰金屬替代當(dāng)今常用的石墨材料。這種更換使電池的能量密度增加了一倍，這意味著相同尺寸的電池可以存儲(chǔ)兩倍的能量。

Argonne 將科學(xué)付諸實(shí)踐

以有意義的工業(yè)規(guī)模和更低的成本測(cè)試和改進(jìn)制造這些固體電池材料的工藝和技術(shù)是 MERF 的專(zhuān)長(zhǎng)。目前，沒(méi)有人生產(chǎn)出與傳統(tǒng)鋰離子電池相比具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的固態(tài)電池。

“為了讓新材料被工業(yè)采用，制造它們的工藝必須與目前正在做的事情相比具有成本競(jìng)爭(zhēng)力，并且這些材料必須比當(dāng)前市場(chǎng)上的材料具有顯著優(yōu)勢(shì)，”達(dá)勒姆解釋說(shuō)。“在 MERF，我們通過(guò)更換昂貴的組件、降低能源消耗、減少浪費(fèi)和改善加工條件，在不犧牲材料性能的情況下開(kāi)發(fā)具有成本效益的制造新材料的工藝。在 MERF 進(jìn)行這項(xiàng)研究使阿貢科學(xué)家能夠去-風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)，并為行業(yè)提供現(xiàn)成的、規(guī)?；牧鞒?。”

Argonne 是致力于擴(kuò)展電池固態(tài)電解質(zhì)材料的美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室之一。這樣做是其持續(xù)推動(dòng)擴(kuò)大對(duì)美國(guó)工業(yè)制造競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要的復(fù)雜材料和化學(xué)工藝的一部分。28,000 平方英尺的 MERF 在幫助 Argonne 推進(jìn)這項(xiàng)工作方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，在使用最新技術(shù)幫助公司制造用于高級(jí)應(yīng)用的新型材料方面有著良好的記錄。

“阿貢是工業(yè)的重要合作伙伴，因?yàn)槲覀兛梢詭椭麄兘档托录夹g(shù)或材料的風(fēng)險(xiǎn)，”達(dá)勒姆說(shuō)。“為工業(yè)降低這些風(fēng)險(xiǎn)將使他們能夠更快地將產(chǎn)品商業(yè)化，這將為他們節(jié)省寶貴的時(shí)間和金錢(qián)。這就是阿貢研究人員將科學(xué)付諸實(shí)踐的方式。”

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