Sergiy Kalnaus, et al. Solid-state baterije: kritična uloga mehanike. Nauka. 381, 1300 (2023).
Solid-state baterije s litijum metalnim anodama imaju potencijal za veću gustoću energije, duži vijek trajanja, širu radnu temperaturu i povećanu sigurnost. Iako se najveći dio istraživanja fokusirao na poboljšanje kinetike transporta i elektrohemijske stabilnosti materijala i interfejsa, postoje i kritični izazovi koji zahtijevaju istraživanje mehanike materijala. U baterijama sa sučeljima čvrsto-čvrsto stanje, mehanički kontakti i razvoj naprezanja tokom rada čvrstih baterija, postaju jednako kritični kao i elektrohemijska stabilnost kako bi se održao stabilan prijenos punjenja na ovim sučeljima. Ovaj pregled će se fokusirati na stres i naprezanje koji su rezultat normalnog i produženog ciklusa baterija i povezanih mehanizama za ublažavanje stresa, od kojih neki dovode do kvara ovih baterija.
POZADINA
Solid-state baterije (SSB) imaju važne potencijalne prednosti u odnosu na tradicionalne Li-ion baterije koje se koriste u svakodnevnim telefonima i električnim vozilima. Među ovim potencijalnim prednostima je veća gustoća energije i brže punjenje. Čvrsti separator elektrolita također može osigurati duži vijek trajanja, širu radnu temperaturu i povećanu sigurnost zbog odsustva zapaljivih organskih rastvarača. Jedan od kritičnih aspekata SSB-a je reakcija njihove mikrostrukture na naprezanje na promjene dimenzija (deformacije) uzrokovane transportom mase. Kompozicijske deformacije u česticama katode javljaju se i u baterijama tečnog elektrolita, ali u SSB-ovima ova naprezanja dovode do problema mehanike kontakta između ekspandirajućih ili skupljajućih čestica elektrode i čvrstog elektrolita. Na strani anode, oblaganje metala litijuma stvara vlastito složeno stanje naprezanja na granici s čvrstim elektrolitom. Kritična karakteristika SSB-ova je da se takva obloga može pojaviti ne samo na međusklopu elektroda-elektrolit, već i unutar samog čvrstog elektrolita, unutar njegovih pora ili duž granica zrna. Takvo ograničeno taloženje litijuma stvara područja s visokim hidrostatičkim naprezanjem koja mogu izazvati lomove u elektrolitu. Iako je većina kvarova u SSB-ovima uzrokovana mehanikom, većina istraživanja je posvećena poboljšanju transporta jona i elektrohemijske stabilnosti elektrolita. Kao pokušaj da se premosti ovaj jaz, u ovom pregledu predstavljamo okvir mehanike za SSB i ispitujemo vodeća istraživanja u ovoj oblasti, fokusirajući se na mehanizme pomoću kojih se stres generiše, sprečava i ublažava.
ADVANCES
Guranje ka obnovljivim izvorima zahtijeva razvoj baterija sljedeće generacije s gustoćom energije više nego dvostruko većom od trenutnih baterija i koje se mogu puniti za 5 minuta ili manje. Ovo je dovelo do trke u razvoju elektrolita koji mogu olakšati 5-min brzo punjenje i omogućiti Li metalne anode – ključ za visoku energiju. Otkriće čvrstih elektrolita koji imaju visoku elektrohemijsku stabilnost sa metalom Li i sulfidnim čvrstim elektrolitima sa jonskom provodljivošću većom od one bilo kog tečnog elektrolita podstaklo je pomak u istraživačkoj zajednici prema SSB. Iako su ova otkrića potaknula obećanje da SSB-ovi mogu omogućiti viziju brzog punjenja i udvostručavanja gustine energije, realizacija ovog obećanja je izvodljiva samo ako se mehaničko ponašanje materijala baterija temeljito razumije i mehanika višestrukih razmjera je integrirana u razvoj SSB-ova. .
OUTLOOK
Mora se riješiti nekoliko ključnih izazova, uključujući (i) neujednačeno litijumsko nanošenje na površinu čvrstog elektrolita i taloženje metalnog litijuma unutar čvrstog elektrolita; (ii) gubitak međufaznog kontakta unutar ćelije kao rezultat promjena volumena povezanih s elektrohemijskim ciklusom koji se javlja na kontaktima elektroda, kao i na granicama zrna; i (iii) proizvodni procesi za formiranje SSB-ova sa vrlo tankim čvrstim elektrolitom i minimumom neaktivnih komponenti, uključujući veziva i strukturne nosače. Mehanika je zajednički imenitelj koji povezuje ove probleme. Taloženje metalnog litijuma u površinski i zapreminski defekti keramičkog čvrstog elektrolita rezultira lokalnim visokim naprezanjima koja mogu dovesti do loma elektrolita uz daljnje širenje metalnog litija u pukotine. U proizvodnji, kao minimalni zahtjev, slojevi katode i elektrolita trebaju imati dovoljno čvrstoće da izdrže sile koje primjenjuje oprema. Bolje razumijevanje mehanike SSB materijala će se prenijeti na razvoj čvrstih elektrolita, katoda, anoda i ćelijske arhitekture, kao i baterijskih paketa dizajniranih da upravljaju stresom prilikom proizvodnje i rada baterija.
Slika 1 Šematski dijagram litijum metalnih čvrstih baterija, mehanika i transportni fenomeni.
Slika 2 Mehanika metala litijuma zavisna od skale dužine i brzine.
Slika 3. Plastičnost je potaknuta zgušnjavanjem i posmičnim strujanjem u amorfnim materijalima i ojačana je uvođenjem dislokacija u kristalnu keramiku, čime se izbjegava lom.
Slika 4. Oporavak deformacije u LiPON-u, što rezultira ponašanjem sličnim histerezi tokom cikličkog opterećenja nanoindentacije.
Slika 5 Oštećenje kompozitne čvrste katode od zamora.
Slika 6 Šematski dijagram širenja litijuma kroz čvrsti elektrolit.
