Das ORNL-Team empfiehlt, sich auf das isostatische Pressen für Feststoffe zu konzentrieren

Jul 19, 2023

Nach Monaten vielversprechender Testergebnisse empfehlen Batterieforscher am Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums, dass sich die Festkörperbatterieindustrie bei der Kommerzialisierung von Festkörperbatterien der nächsten Generation auf eine Technik namens isostatisches Pressen konzentrieren sollte.

In einem Open-Access-Fokusrezensionspapier für ACS Energy Letters empfehlen ORNL-Forscher, dem wenig untersuchten Ansatz des isostatischen Pressens Aufmerksamkeit zu schenken. Bei diesem Prozess werden Flüssigkeiten und Gase wie Wasser, Öl oder Argon in einer Maschine verwendet, um einen gleichmäßigen Druck auf eine Batteriekomponente auszuüben und so ein äußerst gleichmäßiges Material zu erzeugen. Mit Hilfe eines Industriepartners, der diese Pressausrüstung herstellt, fanden ORNL-Forscher heraus, dass isostatisches Pressen die Batterieproduktion einfacher und schneller machen und gleichzeitig bessere Bedingungen für den Energiefluss schaffen könnte.

(a) Aktuelle Herausforderungen bei der Verarbeitung und Integration von Festkörperbatterien. (b) Ungleichmäßige Dichteverteilung durch einmaliges uniaxiales Pressen in einer starren Matrize für den Zylinder. (c) Schematische Darstellung eines Druckbehälterhohlraums, in den die Probe eingeführt und isostatischen Druck- und Temperaturbedingungen sowie Temperatur- und Druckbereichen für kaltisostatische Verarbeitung (CIP) (blau) und warmisostatische Verarbeitung (WIP) (grün) ausgesetzt wird. und Hot Isostatic Processing (HIP) (orange) Techniken. Dixit et al.

Marm Dixit und Kollegen vom ORNL fanden heraus, dass durch isostatisches Pressen dünne Schichten aus festem, gleichmäßigem Elektrolyt erzeugt werden können, wobei ein hohes Maß an Kontakt zwischen den Schichten für eine reibungslose Ionenbewegung aufrechterhalten wird. Die Methode funktioniert mit einer Vielzahl von Batteriezusammensetzungen bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken.

Unter den vielversprechenden Ergebnissen erwies sich das isostatische Pressen als äußerst erfolgreich bei niedrigen Temperaturen und mit weichen Elektrolytmaterialien, die einfacher zu verarbeiten sind und günstige Kristallstrukturen für die Ionenbewegung aufweisen. Bisher wurde das isostatische Pressen von Batterien meist bei extremen Temperaturen durchgeführt: bei sehr hohen Temperaturen oder bei Raumtemperatur, aber nicht dazwischen.

Alle diese Materialien haben ihre einzigartigen Vorteile, die Forscher gerne nutzen würden. Deshalb ist es wichtig, dass Sie isostatisches Pressen bei Raumtemperatur bis zu mehreren tausend Grad Fahrenheit durchführen können: Das bedeutet, dass Sie alles von Polymeren bis hin zu Oxiden und die gesamte Bandbreite an Materialien verwenden können.

Diese Vielseitigkeit sei der Schlüssel zu einem konsistenten Herstellungsprozess für die große Vielfalt an Festkörperbatteriedesigns und Materialien, die entwickelt werden, sagte Dixit. Isostatisches Pressen ließe sich auch relativ einfach kommerziell ausbauen – eine Erkenntnis, die große Aufmerksamkeit erregt hat, da Unternehmen darum kämpfen, Automobilhersteller mit Festkörperbatterien zu beliefern. Mehrere führende Automobilhersteller haben angekündigt, in einigen Jahren Elektrofahrzeuge mit Festkörperbatterien verkaufen zu wollen.

Ilias Belharouak, Corporate Fellow am ORNL und Leiter der Elektrifizierungsabteilung, sagte, die Festkörperbatterietechnologie müsse für die Massenproduktion perfektioniert werden.

Alle Festkörperbatterien sind auf lange Sicht unterwegs. Aber die isostatische Presstechnologie würde, wenn sie skalierbar wäre, eine Möglichkeit bieten, die Batterieschichten ohne unpraktische äußere Drücke zusammenzubauen.

Isostatisches Pressen wird seit Jahrzehnten zum Schmelzkleben und Verbinden von Materialien eingesetzt. Seit Kurzem ist es ein Werkzeug zur Beseitigung von Hohlräumen und Anomalien in 3D-gedruckten Teilen. Die Tests für Batterieanwendungen waren jedoch begrenzt.

ORNL-Forscher wiesen darauf hin, dass isostatisches Pressen es auch ermöglichen könnte, die drei Batterieschichten als ein einziges, dichtes System herzustellen, anstatt sie vor dem Zusammenfügen separat herzustellen.

Im ACS Energy Letters-Papier betonte Dixits Team, wie wichtig es ist, eine Festkörperbatterie anzustreben, die für die Herstellung skaliert werden kann.

ORNL-Forscher führen weiterhin Tests durch, um herauszufinden, welche Presstemperatur- und Druckkombinationen bei verschiedenen Materialien am besten funktionieren und wie sich diese Faktoren auf die Textur auswirken.

Isostatisches Pressen kann die Textur verändern – die Frage ist, ob es diese aktiv steuern kann. Die Möglichkeit, die Kristalltextur zu manipulieren, hätte erhebliche Vorteile für Festkörperbatterien.

Weitere Mitwirkende sind Ruhul Amin, Nitin Muralidharan, Rachid Essehli, Mahalingam Balasubramanian und Ilias Belharouak vom ORNL. Die Forschung des ORNL wurde vom DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Vehicle Technologies Office gesponsert und nutzte zwei Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science, das Center for Nanophase Materials Sciences am ORNL und die Advanced Photon Source am Argonne National Laboratory.

Ressourcen

Marm Dixit, Chad Beamer, Ruhul Amin, James Shipley, Richard Eklund, Nitin Muralidharan, Lisa Lindqvist, Anton Fritz, Rachid Essehli, Mahalingam Balasubramanian und Ilias Belharouak (2022). State Batteries“ ACS Energy Letters doi:10.1021/acsenergylett.2c01936

Gepostet am 24. März 2023 in Batterien, Herstellung, Markthintergrund, Festkörperbatterien | Permalink | Kommentare (0)