材料科学家追求新一代电池

阿贡国家实验室的应用研究进展让人寄希望于固态电池将早日取代传统的锂离子电池。为电子设备(大到电动汽车或小到手机)中的电池充电已成为一项日常活动，就像装载洗碗机一样。主要为这些设备供电的锂离子电池重量轻且生产成本低。然而，它们本质上是易燃的，随着电力和电网存储需求的不断增长，这引起了人们对其安全性和可靠性的担忧。

美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的应用研究表明，用更好的技术取代锂离子电池可能比预期更快。

锂离子电池仍然需要液体或凝胶来让电池充电和放电;这就是为什么旧电池有时会随着年龄的增长而泄漏的原因。新一代更安全的电池不依赖于液体或凝胶。相反，这些固态电池使用非常薄的固体薄膜来保持电荷产生部分(阴极和阳极)分开，并使电池能够充电和放电。

多年来，来自整个实验室的化学家一直在固态电池背后的基础科学中做出发现。然后，阿贡材料工程研究机构 (MERF) 的科学家们扩大了这些发现，并使它们更接近市场。

“固态电池可以储存更多能量，更安全，占用更少空间，”阿贡应用材料部门的杰西卡·达勒姆说，他与材料科学家阿尔伯特·利普森合作，生产创新的固体来替代电池中的液体材料。“与目前使用的制造工艺和技术相比，我们在 MERF 开发的制造工艺和技术具有特定的优势——更快的加工、无压烧结、大规模均匀性和更高的密度。”

速度和一致性对电池制造的价值是显而易见的，更高的密度可以提高电池的使用时间。改进烧结工艺是释放所有这些优势的关键。

烧结可能是通往更好电池的桥梁

烧结涉及加热粉末材料，直到它慢慢形成没有任何孔洞或孔的固体材料。这个过程在固态电池中很重要，因为分隔阴极和阳极的薄材料必须足够坚固和致密，以承受制造、组装和操作过程中的处理。它还必须提供高性能;也就是说，电池必须允许快速充电，导电良好并持续很长时间。

通过改进烧结过程，阿贡的科学家们还可以用锂金属替代当今常用的石墨材料。这种更换使电池的能量密度增加了一倍，这意味着相同尺寸的电池可以存储两倍的能量。

Argonne 将科学付诸实践

以有意义的工业规模和更低的成本测试和改进制造这些固体电池材料的工艺和技术是 MERF 的专长。目前，没有人生产出与传统锂离子电池相比具有成本竞争力的固态电池。

“为了让新材料被工业采用，制造它们的工艺必须与目前正在做的事情相比具有成本竞争力，并且这些材料必须比当前市场上的材料具有显着优势，”达勒姆解释说。“在 MERF，我们通过更换昂贵的组件、降低能源消耗、减少浪费和改善加工条件，在不牺牲材料性能的情况下开发具有成本效益的制造新材料的工艺。在 MERF 进行这项研究使阿贡科学家能够去-风险技术，并为行业提供现成的、规模化的流程。”

Argonne 是致力于扩展电池固态电解质材料的美国国家实验室之一。这样做是其持续推动扩大对美国工业制造竞争力至关重要的复杂材料和化学工艺的一部分。28,000 平方英尺的 MERF 在帮助 Argonne 推进这项工作方面发挥了至关重要的作用，在使用最新技术帮助公司制造用于高级应用的新型材料方面有着良好的记录。

“阿贡是工业的重要合作伙伴，因为我们可以帮助他们降低新技术或材料的风险，”达勒姆说。“为工业降低这些风险将使他们能够更快地将产品商业化，这将为他们节省宝贵的时间和金钱。这就是阿贡研究人员将科学付诸实践的方式。”

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