Аннотация:
Исследователи пытаются позаимствовать технологию производства полупроводниковых чипов, чтобы решить давние проблемы в производстве и эксплуатации аккумуляторов для электромобилей следующего поколения. Применяя методы прецизионной обработки, первоначально использовавшиеся для изготовления микроэлектронных компонентов, к материалам аккумуляторов, ученые надеются создать более тонкие, однородные и структурно стабильные компоненты аккумуляторов, тем самым еще больше улучшая долговечность, скорость зарядки и срок службы аккумуляторов электромобилей.
После десятилетий разработок традиционные литий-ионные аккумуляторы добились значительного прогресса в плотности энергии, стоимости и надежности, но дальнейшее повышение производительности становится все труднее. В то же время требования к аккумуляторам в электромобилях также возрастают. Автопроизводители надеются, что аккумуляторы смогут хранить больше энергии, поддерживать более быструю зарядку, а также должны иметь более высокую безопасность и более длительный срок службы.
Поэтому твердотельные батареи считаются одним из важных направлений аккумуляторных технологий следующего поколения. В отличие от традиционных литий-ионных батарей, в которых используются жидкие электролиты, в твердотельных батареях используются твердые электролиты, которые, как ожидается, повысят плотность энергии и снизят риск утечки жидкого электролита и возгорания. Некоторые конструкции теоретически могут достичь плотности энергии около 500 Втч/кг, в то время как современные литий-ионные батареи с жидкими электролитами обычно имеют плотность около 300 Втч/кг.
Однако твердотельные батареи по-прежнему сталкиваются с очень серьезной проблемой, когда дело доходит до крупномасштабной коммерциализации: материал слишком хрупкий.
Во время процесса зарядки и разрядки аккумулятора ионы лития будут продолжать перемещаться внутри материала электрода, заставляя электрод неоднократно расширяться и сжиматься. По мере увеличения количества циклов между различными материалами могут возникать зазоры, трещины и даже деформации, что в конечном итоге препятствует нормальному движению ионов лития и приводит к постепенному снижению емкости аккумулятора и его производительности.
Поэтому исследователи начали искать способы более точного контроля внутренней структуры батарей, а технология производства полупроводников предоставила набор зрелых инструментов, которые могут контролировать структуру материала в нанометровом масштабе после десятилетий разработок.
Одним из основных преимуществ индустрии производства чипов является возможность создавать очень регулярные структуры в чрезвычайно малых масштабах. Транзисторы и структуры межсоединений в современных чипах стали размером всего в нанометры, а производственный процесс требует точного контроля осаждения материала, травления, формирования рисунка и межслойных структур. Исследователи надеются применить аналогичные идеи к производству аккумуляторов и уменьшить дефекты, которые трудно контролировать в традиционном производственном процессе, за счет более усовершенствованного структурного проектирования материалов аккумуляторов.
Одним из ключевых направлений является использование методов, аналогичных обработке полупроводниковых пластин, для создания тонкослойных структур в батареях. В отличие от традиционного производства аккумуляторов, которое в основном основано на нанесении покрытия, прессовании и сушке, процесс производства чипов может образовывать высокооднородную наноразмерную пленку на поверхности материала и точно контролировать границу раздела между различными материалами.
Эта способность особенно важна для твердотельных батарей, поскольку граница раздела между твердыми материалами напрямую определяет, смогут ли ионы лития проходить беспрепятственно. Если на границе раздела есть крошечные трещины, пустоты или неравномерное распределение материала, это может увеличить сопротивление передаче ионов и снизить производительность батареи.
Исследователи надеются использовать технологию тонкопленочного осаждения и микронанообработки в области производства полупроводников, чтобы создать более однородную структуру электрода и электролита внутри батареи, тем самым уменьшая механическое напряжение, возникающее во время зарядки и разрядки.
Идея состоит не в том, чтобы просто переместить полный набор линий по производству чипов на завод по производству аккумуляторов, а в том, чтобы выбрать процессы и оборудование, подходящие для производства аккумуляторов. Поскольку между батареями и чипами существуют огромные различия в материалах, размерах и масштабах производства, стоимость производства батарей, полностью использующих полупроводниковые методы производства, вероятно, будет неприемлемо высокой.
Решение, имеющее реальную коммерческую значимость, состоит в том, чтобы использовать принципы микро-нанообработки, которые были проверены в отрасли производства микросхем, и перепроектировать процесс так, чтобы его можно было адаптировать к крупномасштабному, высокопроизводительному и недорогому производству, необходимому для производства аккумуляторов.
Это одна из основных проблем, с которыми в настоящее время сталкиваются исследователи. Размер пластин чипа обычно составляет всего несколько десятков сантиметров или меньше, тогда как площадь электродов автомобильного аккумулятора может достигать нескольких квадратных метров. Производство аккумуляторов также требует обработки большого количества активных материалов, поэтому любой новый процесс должен сочетать наноразмерную точность с эффективностью промышленного производства.
Исследователи полагают, что если эту проблему масштабирования удастся решить, опыт, накопленный за десятилетия в отрасли производства полупроводников, может открыть новый технический путь для аккумуляторной промышленности.
В то же время исследователи аккумуляторов пытаются улучшить структуру электродов, используя другие передовые производственные технологии. Например, путем точного контроля расположения частиц электродного материала можно сохранить достаточное количество ионных каналов, одновременно увеличивая долю активных материалов; контролируя структуру пор, электролит может более равномерно проникать в электрод.
Для твердотельных аккумуляторов интерфейс управления особенно важен. Традиционные жидкие электролиты могут заполнять крошечные зазоры между электродами, тогда как твердые электролиты не могут течь в эти области самостоятельно, как жидкости. Поэтому на этапе производства электроды и электролиты должны находиться в очень хорошем контакте.
Технологии нанесения тонких пленок, обработки поверхности и нанесения наноразмерных рисунков в технологии производства чипов могут помочь исследователям более точно обрабатывать эти интерфейсы.
Подобная межотраслевая передача технологий действительно произошла в аккумуляторной промышленности. В прошлом некоторые компании, производящие аккумуляторы, внедрили оборудование и процессы производства полупроводников, панелей дисплеев и прецизионных тонких пленок, поскольку этим отраслям также необходимо создавать чрезвычайно однородные тонкослойные структуры на подложках большой площади.
Особое внимание исследователи также уделяют электродам из кремниевого материала. Кремний теоретически может хранить гораздо больше лития, чем графит, поэтому он считается важным материалом для улучшения плотности энергии литий-ионных батарей. Однако кремний претерпевает очень значительные изменения объема во время зарядки и разрядки, что может легко привести к разрушению структуры электрода.
Если кремниевый материал можно будет более точно спроектировать структурно с помощью микро-нанотехнологии производства, он может в определенной степени сохранить пространство для расширения материала и улучшить путь передачи электронов и ионов лития.
Эта идея означает, что производство аккумуляторов в будущем может стать все более и более похожим на сложную «технологию материалов». Производительность батареи больше не определяется исключительно химическим составом, но также расположением материалов на наноуровне, структурой интерфейса и распределением пор.
Исследователи надеются в конечном итоге достичь более точного способа производства батарей: контролировать толщину каждого слоя материала, контакт между каждым материалом и путь движения ионов на микроскопическом уровне, сохраняя при этом достаточно высокую эффективность производства на макроскопическом уровне.
В случае успеха этот тип технологии может улучшить несколько параметров батареи одновременно. Более однородная структура может снизить внутреннее сопротивление и увеличить скорость зарядки; более стабильный интерфейс может уменьшить появление трещин и осыпание материала во время езды на велосипеде, тем самым продлевая срок службы батареи; более высокая доля активных материалов дает возможность увеличить запас энергии на единицу веса.
Однако переход от лабораторных технологий к автомобильной промышленности по-прежнему требует длительного периода проверки. Аккумуляторы электромобилей не только необходимо тестировать сотни или даже тысячи раз в лаборатории, они также должны быть способны выдерживать высокие и низкие температуры, вибрации, столкновения и постоянные механические нагрузки, возникающие в течение многих лет использования.
Что еще более важно, любой новый производственный процесс должен в конечном итоге оказаться конкурентоспособным по стоимости с существующими линиями по производству литий-ионных аккумуляторов. Производительность автомобильных аккумуляторов намного выше, чем у большинства высокопроизводительных электронных устройств, поэтому даже если технология сможет достичь чрезвычайно высокой нанометровой точности, будет сложно по-настоящему войти в автомобильную промышленность, если скорость производства будет слишком низкой или стоимость оборудования слишком высока.
Поэтому вместо того, чтобы пытаться превратить батарею в гигантский чип, исследователи теперь используют то, что полупроводниковая промышленность делает лучше всего: управление материалами и интерфейсами с чрезвычайно высокой точностью.
Если эти технологии в конечном итоге смогут быть применены в больших масштабах, будущие аккумуляторы для электромобилей могут получить наномасштабные возможности структурного контроля, аналогичные тем, которые имеют передовые чипы в процессе производства. Это может не только способствовать дальнейшей коммерциализации твердотельных батарей, но также может улучшить производительность литий-ионных батарей следующего поколения, батарей с кремниевым анодом и других новых технологий хранения энергии.
Для индустрии электромобилей следующий раунд конкуренции в области аккумуляторных технологий, возможно, будет заключаться уже не в поиске «нового волшебного материала», а в том, как использовать более сложные методы производства для объединения существующих материалов в батареи с лучшими характеристиками. Опыт микро-нанообработки, накопленный индустрией производства чипов на протяжении десятилетий, становится важным набором технических инструментов, которые исследователи аккумуляторов пытаются позаимствовать.
Комментарии