韩国团队提出固态电池通用设计原则

Josiah02

韩国研究团队提出首个固态电池通用设计原则，标志着此前缺乏标准基准的电池设计研究发生了范式转变。
韩国能源研究院（KIER）蔚山先进能源技术研发中心的 Jinsoo Kim 博士和蔚山国立科学技术研究院（UNIST）的 Sung-Kyun Jung 教授的研究团队共同开发了实现高能量密度 固态电池的设计原则和多功能设计工具包，并完成了性能验证。
该论文发表在《自然通讯》杂志上。
随着全球电动化需求的增加，万物由电池驱动的时代即将到来，为此，韩国政府公布了“强化电池产业竞争力的国家战略”，支持重点发展国家固态电池技术。
固态电池采用不易燃的固体电解质，而非锂离子电池中易燃的液体电解质，因此更加安全，不易起火。此外，通过高效的电池和系统结构设计，固态电池还具有显著提高能量密度的优势。
直到最近，固态电池的基础研究才刚刚开始，并取得了许多实验室级成果。然而，由于缺乏设计实用电极和电池的科学指导，导致开发效率低下，因为它主要依靠研究人员的经验来组合材料和控制设计参数。
针对这一问题，研究团队将电池的量化设计参数定义为平衡阈值、渗流阈值、负载阈值，并提出了第一条通用的固态电池设计原理，以此原理制作的软包电池能量密度达到310Wh/kg，超越了商用锂电池，并获得了第三方认证。
固态电池由复合正极、负极和固态电解质组成，能量密度随正极活性物质密度的增加而增大。基于球形粒子排列密度最大的“立方密堆积”结构，研究团队将填充粒子间隙的固态电解质的标准比例定义为“平衡阈值”。
在此平衡阈值下，活性物质体积比为74%，固体电解质为26%，通过以此值为基础调整配比，可以在能量密度与功率密度之间确定设计策略。
还确立了复合正极中锂离子传导的最低条件。研究小组将活性物质和固体电解质的复合粒子相互接触的最低密度定义为“渗透阈值”。
在此条件下，复合颗粒之间的间隙必须为 26% 或更小。如果间隙超过此百分比，颗粒将不会接触，从而阻止离子流动并导致电池无法工作。
此外，研究团队还设计出一种通过计算阴极内部电压降的具体条件来设计电极厚度的方法。电极的厚度由电阻和电流密度引起的电压降决定。
研究团队将电压降在 100mV（毫伏）以内的条件组合定义为理想模型，称之为“负载阈值”。在组合各种材料和设计电极时，可以将此条件用作优化电极板厚度的指导方针。
研究团队成功运用所设计原理，制造出容量为 0.5Ah、能量密度高达 310Wh/kg 的软包电池。所生产的电池获得了韩国认证实验室 (KCL) 的官方测试认证，证明了其设计原理的一致性。
研究团队还利用这些设计原理开发了固态电池设计工具包“SolidXCell”，并向公众开放。“SolidXCell”是一个多尺度、多参数的设计平台，可以直观、系统地设计复杂的固态电池。它免费提供给研究人员用于固态电池设计。
领导联合研究的 KIER 的 Jinsoo Kim 博士和 UNIST 的 Sung-Kyun Jung 教授表示：“通过开发和共享设计工具包，提出固态电池的第一个通用设计原则将极大地造福固态电池设计领域。我们希望许多研究人员能够利用这些原则高效地设计固态电池，促进性能的显著提升，并克服当前的技术障碍。”
目前，联合研究团队正在韩国技术振兴院和蔚山市的支持下，建立韩国首个“先进电池工程铸造厂（ABEF）”。该中心未来将为相关企业提供全固态电池、锂金属电池和锂硫电池原型制造、评估和分析的基础设施。
更多信息： Wonmi Lee 等人，用于生产含聚合物电解质的高能固态锂软包电池的高级参数化，《自然通讯》（2024 年）。DOI ：10.1038/s41467-024-50075-9
期刊信息： 《自然通讯》