Сергий Калнаус и др. Твърдотелни батерии: критичната роля на механиката. Наука. 381, 1300 (2023).
Твърдотелните батерии с литиево-метални аноди имат потенциал за по-висока енергийна плътност, по-дълъг живот, по-широка работна температура и повишена безопасност. Въпреки че по-голямата част от изследванията са фокусирани върху подобряването на транспортната кинетика и електрохимичната стабилност на материалите и интерфейсите, има и критични предизвикателства, които изискват изследване на механиката на материалите. В батерии с интерфейси твърдо-твърдо, механичните контакти и развитието на напрежения по време на работа на батериите в твърдо състояние стават също толкова критични, колкото и електрохимичната стабилност, за да се поддържа стабилен трансфер на заряд в тези интерфейси. Този преглед ще се съсредоточи върху стреса и напрежението, които са резултат от нормална и продължителна работа на батерията и свързаните с тях механизми за облекчаване на стреса, някои от които водят до повреда на тези батерии.
ЗАДЕН ПЛАН
Батериите в твърдо състояние (SSB) имат важни потенциални предимства пред традиционните литиево-йонни батерии, използвани в ежедневните телефони и електрически превозни средства. Сред тези потенциални предимства са по-високата енергийна плътност и по-бързото зареждане. Сепараторът за твърд електролит може също да осигури по-дълъг живот, по-широка работна температура и повишена безопасност поради липсата на запалими органични разтворители. Един от критичните аспекти на SSBs е реакцията на напрежението на тяхната микроструктура към промените в размерите (напрежения), предизвикани от масов транспорт. Композиционните деформации в катодните частици се срещат и в батерии с течен електролит, но в SSBs тези деформации водят до проблеми с механиката на контакта между разширяващите се или свиващи се електродни частици и твърдия електролит. От страната на анода, покритието от метален литий създава собствено сложно състояние на напрежение на границата с твърдия електролит. Критична характеристика на SSBs е, че такова покритие може да се случи не само на интерфейса електрод-електролит, но и в самия твърд електролит, вътре в неговите пори или по протежение на границите на зърната. Такова ограничено отлагане на литий създава области с високо хидростатично напрежение, способни да инициират фрактури в електролита. Въпреки че по-голямата част от повреди в SSBs се дължат на механика, повечето от изследванията са посветени на подобряването на йонния транспорт и електрохимичната стабилност на електролитите. Като опит за преодоляване на тази празнина, в този преглед представяме механична рамка за SSBs и разглеждаме водещи изследвания в областта, като се фокусираме върху механизмите, чрез които стресът се генерира, предотвратява и облекчава.
АВАНСИ
Стремежът към възобновяеми ресурси изисква разработването на батерии от следващо поколение с енергийна плътност повече от два пъти по-голяма от сегашните батерии и които могат да се зареждат за 5 минути или по-малко. Това доведе до надпревара за разработване на електролити, които могат както да улеснят 5-минутно бързо зареждане, така и да активират Li метални аноди – ключът към високата енергия. Откриването на твърди електролити, които имат висока електрохимична стабилност с Li метал и сулфидни твърди електролити с йонна проводимост, по-висока от тази на всеки течен електролит, стимулира изместването на изследователската общност към SSBs. Въпреки че тези открития поставиха началото на обещанието, че SSBs могат да позволят визията за бързо зареждане и удвояване на енергийната плътност, реализацията на това обещание е осъществима само ако механичното поведение на материалите на батериите е напълно разбрано и многомащабната механика е интегрирана в разработването на SSBs .
ПЕРСПЕКТИВА
Няколко ключови предизвикателства трябва да бъдат разгледани, включително (i) неравномерно литиево покритие върху повърхността на твърд електролит и отлагане на метален литий в твърдия електролит; (ii) загуба на междинен контакт в клетката в резултат на промените в обема, свързани с електрохимичния цикъл, който възниква при контактите на електродите, а също и при границите на зърната; и (iii) производствени процеси за образуване на SSBs с много тънък твърд електролит и минимум неактивни компоненти, включително свързващи вещества и структурни опори. Механиката е общ знаменател, свързващ тези проблеми. Отлагането на метален литий в повърхностните и обемни дефекти на керамичен твърд електролит води до локални високи напрежения, които могат да доведат до счупване на електролита с по-нататъшно разпространение на метален литий в пукнатините. При производството, като минимално изискване, пакетите катод-електролит трябва да притежават достатъчно здравина, за да издържат на силите, прилагани от оборудването. По-доброто разбиране на механиката на SSB материалите ще се прехвърли към разработването на твърди електролити, катоди, аноди и клетъчни архитектури, както и батерийни пакети, предназначени да управляват напрежението при производството и експлоатацията на батерии.
Фигура 1 Схематична диаграма на литиево-метални твърдотелни батерии, механика и транспортни явления.
Фигура 2 Скала на дължината и зависима от скоростта механика на металния литий.
Фигура 3 Пластичността се задейства от уплътняване и срязващ поток в аморфните материали и се заздравява чрез въвеждането на дислокации в кристалната керамика, като по този начин се избягва счупването.
Фигура 4 Възстановяване на деформация в LiPON, което води до подобно на хистерезис поведение по време на циклично натоварване на наноиндентация.
Фигура 5 Повреда от умора на композитен твърд катод.
Фигура 6 Схематична диаграма на разпространение на литий през твърд електролит.
