L'équipe ORNL recommande de se concentrer sur le pressage isostatique pour les solides

Jul 19, 2023

Après des mois de résultats de tests prometteurs, les chercheurs en batteries du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie recommandent que l'industrie des batteries à semi-conducteurs se concentre sur une technique connue sous le nom de pressage isostatique, dans le but de commercialiser les batteries à semi-conducteurs de nouvelle génération.

Dans un article de synthèse en libre accès pour ACS Energy Letters, les chercheurs de l'ORNL recommandent qu'une attention particulière soit portée à l'approche de pressage isostatique, peu étudiée. Ce processus utilise des fluides et des gaz tels que l'eau, l'huile ou l'argon à l'intérieur d'une machine pour appliquer une pression constante sur un composant de la batterie, créant ainsi un matériau très uniforme. Avec l'aide d'un partenaire industriel qui produit cet équipement de pressage, les chercheurs de l'ORNL ont découvert que le pressage isostatique pourrait rendre la production de batteries plus facile et plus rapide tout en créant de meilleures conditions pour le flux d'énergie.

(a) Défis actuels liés au traitement et à l’intégration des batteries à semi-conducteurs. (b) Répartition inégale de la densité par simple pressage uniaxial dans une matrice rigide pour cylindre. (c) Diagramme schématique d'une cavité de récipient sous pression dans laquelle l'échantillon est inséré et soumis à des conditions de pression et de température isostatiques, ainsi qu'à des plages de température et de pression pour le traitement isostatique à froid (CIP) (bleu), le traitement isostatique à chaud (WIP) (vert) et techniques de traitement isostatique à chaud (HIP) (orange). Dixit et coll.

Marm Dixit et ses collègues d'ORNL ont découvert que le pressage isostatique peut créer de fines couches d'électrolyte solide et uniforme, maintenant un niveau élevé de contact entre les couches pour un mouvement fluide des ions. La méthode fonctionne avec diverses compositions de batteries à différentes températures et pressions.

Parmi les résultats prometteurs, le pressage isostatique s'est révélé extrêmement efficace à basse température et avec des matériaux électrolytiques mous, plus faciles à traiter et possédant des structures cristallines favorables au mouvement des ions. Auparavant, le pressage isostatique des batteries était effectué principalement à des températures extrêmes : à des températures très élevées ou à température ambiante, mais pas entre les deux.

Tous ces matériaux présentent des avantages uniques que les chercheurs aimeraient exploiter. C'est pourquoi il est important que vous puissiez effectuer un pressage isostatique à une température comprise entre la température ambiante et plusieurs milliers de degrés Fahrenheit : cela signifie que vous pouvez utiliser n'importe quoi, des polymères aux oxydes, en passant par toute la gamme de matériaux.

Cette polyvalence est la clé d'un processus de fabrication cohérent pour la grande variété de conceptions et de matériaux de batteries à semi-conducteurs en cours de développement, a déclaré Dixit. Le pressage isostatique serait également relativement facile à développer commercialement – ​​une découverte qui a retenu l’attention alors que les entreprises se précipitent pour fournir des batteries à semi-conducteurs aux constructeurs automobiles. Plusieurs grands constructeurs automobiles ont annoncé leur intention de vendre d’ici quelques années des véhicules électriques fonctionnant avec des batteries à semi-conducteurs.

Ilias Belharouak, chercheur à l'ORNL et chef de la section électrification, a déclaré que la technologie des batteries à semi-conducteurs doit être perfectionnée pour une fabrication à grande échelle.

Toutes les batteries à semi-conducteurs partent en voyage sur le long terme. Mais la technologie de pressage isostatique, si elle est évolutive, permettrait d’assembler les couches de la batterie sans pressions externes peu pratiques.

Le pressage isostatique est utilisé depuis des décennies dans le collage et l’assemblage de matériaux par fusion. Récemment, il s’agit d’un outil permettant d’éliminer les vides et les anomalies dans les pièces imprimées en 3D. Cependant, ses tests pour les applications sur batteries ont été limités.

Les chercheurs de l'ORNL ont indiqué que le pressage isostatique pourrait également permettre de fabriquer les trois couches de batterie comme un système unique et dense plutôt que de les créer séparément avant de les assembler.

Dans le document ACS Energy Letters, l'équipe de Dixit a souligné l'importance de rechercher une batterie à semi-conducteurs pouvant être mise à l'échelle pour la fabrication.

Les chercheurs de l'ORNL continuent d'effectuer des tests pour déterminer quelles combinaisons de température et de pression de pressage fonctionnent le mieux avec différents matériaux et comment ces facteurs affectent la texture.