چکیده
مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) : چالش‌ها و الزامات تولیدات گسترده باتریهای لیتیوم – یون حالت جامد و باتریهای لیتیوم _ فلزی در این جا از طریق کارگاه‌های آموزشی با حضور کارشناسان موسسات تحقیقاتی معتبر، تامین کنندگان مواد و سازندگان ماشین آلات ارزیابی می‌گردد. با هدف پرکردن شکاف بین تحقیقات مواد و تولید انبوه صنعتی، راه حل‌های ممکن برای زنجیره‌های تولید باتریهای حالت جامد بر پایه سولفید و اکسید از ساخت الکترود گرفته تا مونتاژ سل و کنترل کیفیت ارائه شده است. بر اساس این یافته‌ها یک مقایسه مفصل از فرایندهای تولید باتری حالت جامد بر پایه سولفید با لیتیوم – یون داده شده است. این مقایسه نشان می‌دهد که می‌توان با تلاش، فرآیندهای ساخت کامپوزیت الکترود (تولید سه جزء به صورت جامد) را سازگار نمود. در حالیکه ساخت لایه جداکننده الکترولیت جامد و ادغام یک آند فلزی لیتیوم به فرآیندهای کاملا جدیدی نیاز دارد. این کار گام‌های اصلی به سمت تولید انبوه باتریهای حالت جامد را مشخص نمود و بینشی نسبت به فناوری‌های امیدوار کننده و کمک کننده به ذینفعان از جمله مهندسی ماشین آلات، تولیدکنندگان سل‌های لیتیوم – یون (در حالت جامد- مایع) و سازندگان تجهیزات اصلی برای طراحی گام‌های بعدی به سمت باتریهای ایمن‌تر با ظرفیت بیشتر ذخیره سازی ارائه می‌دهد.
نتیجه گیری
در این مقاله چالش‌ها و الزامات ASSB[1] از دیدگاه مهندسی تولید مورد بررسی قرار گرفت تا راه حل‌های ممکن برای تولید انبوه ASSB روشن شود. سناریوهای فناوری تولید ارائه شده، بینشی در زمینه تغییرات در فرآیند تولید باتریهای معمولی برای ساخت ASSBها ارائه می‌دهد.
نتیجه گیری برای ذینفعان
درحالیکه انبوه چالش‌ها مثل کاهش هدایت یونی در باتریهای حالت جامد هنوز برطرف نشده است، تحقیقات آینده باید به شدت روی هزینه تولید و مواد برای فعال سازی سریع و پیاده سازی بازار موفق به محض رفع چالش‌ها، اجرا شود. لیست پیشنهادات زیر را می‌توان از نتایج ارائه شده استخراج کرد:
- توسعه مواد و صنعتی کردن مواد مورد استفاده در باتریهای حالت جامد، مستلزم تحقیق بر روی مواد ارزان‌تر و سنتز آنهاست. علاوه بر این تلاش‌هایی برای کاهش دمای فرآیند و واکنش‌پذیری مواد مورد نیاز است. اگرچه نتیجه‌گیری نهایی از هزینه‌های فرآیند تولید ASSBها باید بیشتر ارزیابی شود، با این حال انتظار می‌رود فضای فرآیند تولید (خط تولید) بدون آلودگی برای سولفیدها و دمای پخت بالا برای اکسیدها یکی از بزرگترین محرک‌های هزینه در کنار قیمت مواد خام باشد. از طرف دیگر صرفه جویی در هزینه‌ها زمانی نیاز است که به پرکردن سل لیتیوم – یون از مایع و احتمالاً به هیچ فرآیند شکل‌گیری نیاز نباشد. این مقاله می‌تواند مبنایی برای ارزیابی بیشتر هزینه‌های ساخت ASSB باشد.
- برخلاف الکترولیت‌های ژل و احتمالاً الکترولیت‌های جامد هیبریدی، ساخت ASSBهای سولفیدی و اکسیدی با مدرنترین تکنولوژی خطوط تولید برای تولید صنعتی LIB[2] حالت جامد، به دلیل الزامات زیست محیطی و یا پرفشار و نیاز به دمای بالا، بعید به نظر می‌رسد. با این وجود فناوری‌های پیشرفته که قبلا در ساخت LIBهای فعلی استفاده شده‌اند می‌توانند در تولید ASSBها به‌عنوان مثال در فرآیند تولید بر پایه سولفید مطابقت پیدا کنند. این ادغام فرآیند چند گانه (مدولار) فناوری‌های جدیدی را در خطوط تولید LIBهای موجود، فراهم می‌نماید و همچنین می‌تواند برای بخش‌های مرتبط مثل پیل سوختی، صنعت خازن و نیمه رساناها و تامین کنندگان مربوطه مورد توجه باشد. به‌عنوان مثال در اینجا دانش فنی را می‌توان هم از طریق بررسی فرآیند تولید لایه‌های نازک سرامیکی و هم تولید در محیط‌های کپسوله شده منتقل نمود. همچنین اجرای فناوری‌های جدید مانند کاربرد لایه‌های نازک به صورت تک لایه‌ای در چیدمان الکترودها نیز فرصت‌هایی را برای مهندسی در طراحی باتری و ماشین آلات فراهم می‌نماید.
این منظر از اظهارات از دانش تخصصی بدست آمده از فرایندهای آزمایشگاهی استنباط شده است. از این رو به دلیل عدم وجود دانش و اعتبار علمی، امکان سنجی فنی و حقیقی اکثر مفاهیم هنوز نیاز به اثبات دارد. به عنوان مثال مواردی چون فرآیند تولید تکرار پذیر و مقرون به صرفه الکترولیت جامد نازک مقیاس صنعتی و لایه‌های لیتیوم – فلز و همچنین فشرده‌سازی کامپوزیت کاتدی و لایه‌های الکترولیت جامد تا جایی که به تخلخل ناچیز برسند (یعنی تخلخل صفر درصد). اجرا در مقیاس آزمایشی نیازمند محیط‌های تولید مناسبی هست که واکنش پذیری و حساسیت مواد جدید را در نظر بگیرد، بخصوص در مورد مونتاژ سل‌ها تحقیقات بیشتر برای ارتقاء فرآیندهای مونتاژ ضروری است. در عین حال مفاهیمی برای طراحی باتری و بدنه سل با درنظر گرفتن تغییر حجم و فشرده سازی ASSB در طول چرخه و نیز امکان انباشته‌سازی دو قطبی فعال باید توسعه یابد. این مفاهیم پیش نیازی برای توسعه فرآیندهایی مانند جوش زبانه‌ها و بسته بندی سل است.
خلاصه و چشم انداز
به‌طور خلاصه چالش‌ها و راه حل‌های ممکن برای تولید ASSB در مقیاس بزرگ مورد بحث قرار گرفت. سناریوهای تولید برای ترکیبات مختلف مواد بر اساس بررسی‌های تخصصی ارائه شده است. تفاوت زنجیره‌های فرآیند حاصل به شدت بسته به مواد مصرفی متفاوت است که این مورد به‌عنوان مثال در الکترولیت‌های جامد بر پایه سولفید یا اکسید قابل مشاهده است. برای الکترولیت‌هایی برپایه سولفید و ASSBهای هیبریدی، انطباق مراحل فرآیند تولید LIB مرسوم در صورت ایجاد محیط‌های مناسب تولید، امکان پذیر خواهد بود و تخلخل کم می‌تواند فراهم شود. در صورتیکه برای ASSBهای مبتنی بر اکسید، ساخت تقریبا شبیه تولید پیل سوختی است. نتایج این مقاله می‌تواند به ذینفعان مانند تولیدکنندگان مواد، مهندسی تولید و تولیدکنندگان سل در مسیر حرکت از ASSBهایی با اندازه بزرگ به سمت باتری‌هایی با چگالی انرژی بالاتر و ایمن‌تر، کمک رساند. تحقیقات بیشتر برای اجرای مهندسی طراحی سل در اجرای فرآیندهای تولید هنگامی که چالش‌های قبلی با موفقیت انجام شد، مورد نیاز خواهد بود. مراحل بعدی تنظیم ضخامت لایه‌ها، آزمایشات در مورد ساخت، پردازش و جابه‌جایی الکترود و لایه‌های الکترولیت جامد برای ASSBها میباشد.
[1] All solid-state batteries
[2] Lithium – ion batteries
source : Schnell J, Günther T, Knoche T, Vieider C, Köhler L, Just A, Keller M, Passerini S, Reinhart G. All-solid-state lithium-ion and lithium metal batteries–paving the way to large-scale production. Journal of Power Sources. 2018 Apr 1;382:160-75
ترجمه و ویرایش : شیرین میران موسوی
هانیه میران موسوی
