Sergiy Kalnaus, et al. Μπαταρίες στερεάς κατάστασης: Ο κρίσιμος ρόλος της μηχανικής. Επιστήμη. 381, 1300 (2023).
Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης με ανόδους μετάλλου λιθίου έχουν τη δυνατότητα για υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, μεγαλύτερη θερμοκρασία λειτουργίας και αυξημένη ασφάλεια. Αν και το μεγαλύτερο μέρος της έρευνας έχει επικεντρωθεί στη βελτίωση της κινητικής μεταφοράς και της ηλεκτροχημικής σταθερότητας των υλικών και των διεπαφών, υπάρχουν επίσης κρίσιμες προκλήσεις που απαιτούν διερεύνηση της μηχανικής των υλικών. Σε μπαταρίες με διεπαφές στερεού-στερεού, οι μηχανικές επαφές και η ανάπτυξη τάσεων κατά τη λειτουργία των μπαταριών στερεάς κατάστασης είναι τόσο κρίσιμες όσο η ηλεκτροχημική σταθερότητα για τη διατήρηση σταθερής μεταφοράς φορτίου σε αυτές τις διεπαφές. Αυτή η ανασκόπηση θα επικεντρωθεί στο στρες και την καταπόνηση που προκύπτουν από την κανονική και εκτεταμένη κυκλική λειτουργία της μπαταρίας και τους σχετικούς μηχανισμούς για την ανακούφιση από το στρες, ορισμένοι από τους οποίους οδηγούν σε αστοχία αυτών των μπαταριών.
ΙΣΤΟΡΙΚΟ
Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης (SSB) έχουν σημαντικά πιθανά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις παραδοσιακές μπαταρίες ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούνται σε καθημερινά τηλέφωνα και ηλεκτρικά οχήματα. Μεταξύ αυτών των πιθανών πλεονεκτημάτων είναι η υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα και η ταχύτερη φόρτιση. Ένας διαχωριστής στερεών ηλεκτρολυτών μπορεί επίσης να παρέχει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, μεγαλύτερη θερμοκρασία λειτουργίας και αυξημένη ασφάλεια λόγω της απουσίας εύφλεκτων οργανικών διαλυτών. Μία από τις κρίσιμες πτυχές των SSBs είναι η απόκριση τάσης της μικροδομής τους σε αλλαγές διαστάσεων (παραμορφώσεις) που προκαλούνται από τη μαζική μεταφορά. Οι παραμορφώσεις σύνθεσης στα σωματίδια καθόδου εμφανίζονται και σε μπαταρίες υγρών ηλεκτρολυτών, αλλά στα SSB αυτά τα στελέχη οδηγούν σε προβλήματα μηχανικής επαφής μεταξύ των σωματιδίων του ηλεκτροδίου που διαστέλλονται ή συστέλλονται και του στερεού ηλεκτρολύτη. Από την πλευρά της ανόδου, η επιμετάλλωση του μετάλλου λιθίου δημιουργεί τη δική του σύνθετη κατάσταση τάσης στη διεπαφή με τον στερεό ηλεκτρολύτη. Ένα κρίσιμο χαρακτηριστικό των SSBs είναι ότι τέτοια επιμετάλλωση μπορεί να συμβεί όχι μόνο στη διεπιφάνεια ηλεκτροδίου-ηλεκτρολύτη αλλά και εντός του ίδιου του στερεού ηλεκτρολύτη, εντός των πόρων του ή κατά μήκος των ορίων των κόκκων. Μια τέτοια περιορισμένη εναπόθεση λιθίου δημιουργεί περιοχές με υψηλή υδροστατική καταπόνηση ικανές να προκαλέσουν ρωγμές στον ηλεκτρολύτη. Αν και η πλειονότητα των αστοχιών στα SSB οφείλεται στους μηχανικούς, το μεγαλύτερο μέρος της έρευνας έχει αφιερωθεί στη βελτίωση της μεταφοράς ιόντων και της ηλεκτροχημικής σταθερότητας των ηλεκτρολυτών. Σε μια προσπάθεια να γεφυρωθεί αυτό το χάσμα, σε αυτήν την ανασκόπηση παρουσιάζουμε ένα μηχανικό πλαίσιο για SSB και εξετάζουμε την κορυφαία έρευνα στον τομέα, εστιάζοντας στους μηχανισμούς με τους οποίους δημιουργείται, αποτρέπεται και ανακουφίζεται το άγχος.
ΠΡΟΚΑΤΑΒΟΛΕΣ
Η ώθηση προς τις ανανεώσιμες πηγές απαιτεί την ανάπτυξη μπαταριών επόμενης γενιάς με ενεργειακή πυκνότητα μεγαλύτερη από τη διπλάσια από τις τρέχουσες μπαταρίες και που μπορούν να φορτιστούν σε 5 λεπτά ή λιγότερο. Αυτό οδήγησε σε έναν αγώνα δρόμου για την ανάπτυξη ηλεκτρολυτών που μπορούν να διευκολύνουν την 5-λεπτή γρήγορη φόρτιση και να ενεργοποιήσουν τις ανόδους μετάλλων Li - το κλειδί για υψηλή ενέργεια. Η ανακάλυψη στερεών ηλεκτρολυτών που έχουν υψηλή ηλεκτροχημική σταθερότητα με μεταλλικούς λιθίους και στερεούς ηλεκτρολύτες θειούχου με ιοντική αγωγιμότητα μεγαλύτερες από αυτές οποιουδήποτε υγρού ηλεκτρολύτη έχουν ωθήσει μια στροφή στην ερευνητική κοινότητα προς τα SSB. Αν και αυτές οι ανακαλύψεις έδωσαν την υπόσχεση ότι τα SSB μπορούν να επιτρέψουν το όραμα της γρήγορης φόρτισης και του διπλασιασμού της ενεργειακής πυκνότητας, η υλοποίηση αυτής της υπόσχεσης είναι εφικτή μόνο εάν η μηχανική συμπεριφορά των υλικών της μπαταρίας είναι πλήρως κατανοητή και η μηχανική πολλαπλής κλίμακας ενσωματωθεί στην ανάπτυξη των SSB .
ΑΠΟΨΗ
Πρέπει να αντιμετωπιστούν αρκετές βασικές προκλήσεις, συμπεριλαμβανομένων (i) μη ομοιόμορφης επιμετάλλωσης λιθίου σε μια επιφάνεια στερεού ηλεκτρολύτη και εναπόθεσης μετάλλου λιθίου εντός του στερεού ηλεκτρολύτη. (ii) απώλεια της διεπιφανειακής επαφής εντός της κυψέλης ως αποτέλεσμα των αλλαγών όγκου που σχετίζονται με τον ηλεκτροχημικό κύκλο που συμβαίνει στις επαφές των ηλεκτροδίων και επίσης στα όρια των κόκκων· και (iii) διεργασίες παραγωγής για το σχηματισμό SSB με πολύ λεπτό στερεό ηλεκτρολύτη και ελάχιστα ανενεργά συστατικά, συμπεριλαμβανομένων συνδετικών και δομικών στηρίξεων. Η μηχανική είναι ένας κοινός παρονομαστής που συνδέει αυτά τα προβλήματα. Η εναπόθεση μεταλλικού λιθίου στην επιφάνεια και τα ελαττώματα όγκου ενός κεραμικού στερεού ηλεκτρολύτη έχει ως αποτέλεσμα τοπικές υψηλές τάσεις που μπορεί να οδηγήσουν σε θραύση του ηλεκτρολύτη με περαιτέρω διάδοση του μεταλλικού λιθίου στις ρωγμές. Στην κατασκευή, ως ελάχιστη απαίτηση, οι στοίβες καθόδου-ηλεκτρολύτη θα πρέπει να διαθέτουν αρκετή αντοχή ώστε να αντέχουν τις δυνάμεις που ασκούνται από τον εξοπλισμό. Η καλύτερη κατανόηση της μηχανικής των υλικών SSB θα μεταφερθεί στην ανάπτυξη στερεών ηλεκτρολυτών, καθόδων, ανοδίων και αρχιτεκτονικών κυψελών, καθώς και πακέτων μπαταριών που έχουν σχεδιαστεί για τη διαχείριση των καταπονήσεων της κατασκευής και λειτουργίας μπαταριών.
Σχήμα 1 Σχηματικό διάγραμμα μπαταριών στερεάς κατάστασης μετάλλου λιθίου, μηχανική και φαινόμενα μεταφοράς.
Σχήμα 2 Κλίμακα μήκους και εξαρτώμενη από την ταχύτητα μηχανική του μετάλλου λιθίου.
Σχήμα 3 Η πλαστικότητα προκαλείται από τη συμπύκνωση και τη ροή διάτμησης σε άμορφα υλικά και σκληραίνει με την εισαγωγή εξαρθρώσεων σε κρυσταλλικά κεραμικά, αποφεύγοντας έτσι τη θραύση.
Σχήμα 4 Ανάκτηση παραμόρφωσης στο LiPON, με αποτέλεσμα συμπεριφορά παρόμοια με την υστέρηση κατά τη διάρκεια της κυκλικής φόρτωσης της νανο-εσοχής.
Εικόνα 5 Βλάβη κόπωσης σύνθετης στερεάς καθόδου.
Εικόνα 6 Σχηματικό διάγραμμα διάδοσης λιθίου μέσω στερεού ηλεκτρολύτη.
