Sergiy Kalnaus a kol. Pevné batérie: kritická úloha mechaniky. Veda. 381, 1300 (2023).
Pevné batérie s lítiovými kovovými anódami majú potenciál pre vyššiu hustotu energie, dlhšiu životnosť, širšiu prevádzkovú teplotu a vyššiu bezpečnosť. Hoci sa väčšina výskumu zamerala na zlepšenie kinetiky transportu a elektrochemickej stability materiálov a rozhraní, existujú aj kritické výzvy, ktoré si vyžadujú skúmanie mechaniky materiálov. V batériách s rozhraním pevná látka-pevná látka sú mechanické kontakty a vývoj napätia počas prevádzky batérií v pevnej fáze rovnako kritické ako elektrochemická stabilita na udržanie stabilného prenosu náboja na týchto rozhraniach. Tento prehľad sa zameria na stres a napätie, ktoré sú výsledkom normálneho a predĺženého cyklovania batérie a súvisiace mechanizmy na zmiernenie stresu, z ktorých niektoré vedú k zlyhaniu týchto batérií.
POZADIE
Pevné batérie (SSB) majú dôležité potenciálne výhody oproti tradičným lítium-iónovým batériám používaným v každodenných telefónoch a elektrických vozidlách. Medzi tieto potenciálne výhody patrí vyššia hustota energie a rýchlejšie nabíjanie. Odlučovač pevného elektrolytu môže tiež poskytnúť dlhšiu životnosť, širšiu prevádzkovú teplotu a zvýšenú bezpečnosť vďaka absencii horľavých organických rozpúšťadiel. Jedným z kritických aspektov SSB je stresová odozva ich mikroštruktúry na rozmerové zmeny (deformácie) poháňané hromadným transportom. Kompozičné deformácie v časticiach katódy sa vyskytujú aj v batériách s tekutým elektrolytom, ale v SSB tieto deformácie vedú k problémom s kontaktnou mechanikou medzi expandujúcimi alebo kontrahovanými časticami elektród a pevným elektrolytom. Na anódovej strane vytvára pokovovanie lítiovým kovom svoj vlastný komplexný stav napätia na rozhraní s pevným elektrolytom. Kritickým znakom SSB je, že takéto pokovovanie sa môže vyskytnúť nielen na rozhraní elektróda-elektrolyt, ale aj v samotnom pevnom elektrolyte, vo vnútri jeho pórov alebo pozdĺž hraníc zŕn. Takáto obmedzená depozícia lítia vytvára oblasti s vysokým hydrostatickým namáhaním schopným iniciovať praskliny v elektrolyte. Hoci väčšina porúch v SSB je spôsobená mechanikou, väčšina výskumu bola venovaná zlepšeniu transportu iónov a elektrochemickej stability elektrolytov. V snahe preklenúť túto medzeru v tomto prehľade predstavujeme mechanický rámec pre SSB a skúmame popredný výskum v tejto oblasti so zameraním na mechanizmy, ktorými sa stres vytvára, predchádza mu a zmierňuje ho.
ZÁLOHY
Posun smerom k obnoviteľným zdrojom si vyžaduje vývoj batérií novej generácie s hustotou energie viac ako dvojnásobnou v porovnaní so súčasnými batériami, ktoré sa dokážu nabiť za 5 minút alebo menej. To viedlo k pretekom vo vývoji elektrolytov, ktoré môžu uľahčiť 5-minútové rýchle nabíjanie a zároveň umožniť lítiové kovové anódy – kľúč k vysokej energii. Objav pevných elektrolytov, ktoré majú vysokú elektrochemickú stabilitu s kovovým Li a sulfidovými pevnými elektrolytmi s iónovou vodivosťou vyššou ako má akýkoľvek kvapalný elektrolyt, podnietil posun vo výskumnej komunite smerom k SSB. Aj keď tieto objavy podnietili prísľub, že SSB môžu umožniť víziu rýchleho nabíjania a zdvojnásobenia hustoty energie, realizácia tohto sľubu je uskutočniteľná len vtedy, ak sa dôkladne pochopí mechanické správanie materiálov batérií a do vývoja SSB sa integruje viacúrovňová mechanika. .
VÝHĽAD
Je potrebné riešiť niekoľko kľúčových problémov, vrátane (i) nerovnomerného pokovovania lítiom na povrchu pevného elektrolytu a ukladania kovového lítia v pevnom elektrolyte; (ii) strata medzifázového kontaktu vo vnútri článku ako výsledok objemových zmien spojených s elektrochemickým cyklovaním, ku ktorému dochádza na kontaktoch elektród a tiež na hraniciach zŕn; a (iii) výrobné procesy na vytvorenie SSB s veľmi tenkým pevným elektrolytom a minimom neaktívnych zložiek, vrátane spojív a štrukturálnych podkladov. Mechanika je spoločným menovateľom spájajúcim tieto problémy. Ukladanie kovového lítia do povrchových a objemových defektov keramického pevného elektrolytu má za následok lokálne vysoké napätia, ktoré môžu viesť k lomu elektrolytu s ďalším šírením kovového lítia do trhlín. Pri výrobe by ako minimálna požiadavka mali mať katódovo-elektrolytové zväzky dostatočnú pevnosť, aby odolali silám vyvíjaným zariadením. Lepšie pochopenie mechaniky materiálov SSB sa prenesie do vývoja pevných elektrolytov, katód, anód a štruktúr článkov, ako aj batériových súprav navrhnutých na zvládanie stresu pri výrobe a prevádzke batérií.
Obrázok 1 Schematický diagram lítiových kovových polovodičových batérií, mechanika a transportné javy.
Obrázok 2 Dĺžková stupnica a mechanika lítia závislá od rýchlosti.
Obrázok 3 Plasticita je vyvolaná zhutňovaním a šmykovým tokom v amorfných materiáloch a spevnená zavedením dislokácií v kryštalickej keramike, čím sa zabráni prasknutiu.
Obrázok 4 Obnova deformácie v LiPON, čo má za následok správanie podobné hysteréze počas cyklického zaťaženia nanoindentácie.
Obrázok 5 Únavové poškodenie kompozitnej tuhej katódy.
Obrázok 6 Schematický diagram šírenia lítia cez pevný elektrolyt.
