باتری های حالت جامد: نقش حیاتی مکانیک

سرگی کالناوس و همکاران باتری های حالت جامد: نقش حیاتی مکانیک علوم پایه. 381, 1300 (2023).

باتری های حالت جامد با آندهای فلزی لیتیوم پتانسیل چگالی انرژی بالاتر، طول عمر بیشتر، دمای عملیاتی بیشتر و افزایش ایمنی را دارند. اگرچه بخش عمده ای از تحقیقات بر بهبود سینتیک حمل و نقل و پایداری الکتروشیمیایی مواد و رابط ها متمرکز شده است، اما چالش های مهمی نیز وجود دارد که نیازمند بررسی مکانیک مواد است. در باتری‌هایی با رابط‌های جامد-جامد، تماس‌های مکانیکی و ایجاد تنش‌ها در طول کارکرد باتری‌های حالت جامد، به اندازه پایداری الکتروشیمیایی برای حفظ انتقال بار ثابت در این رابط‌ها حیاتی است. این بررسی بر استرس و فشار ناشی از چرخه معمول و طولانی باتری و مکانیسم‌های مرتبط با کاهش استرس که برخی از آنها منجر به خرابی این باتری‌ها می‌شود، تمرکز خواهد کرد.

زمینه

باتری‌های حالت جامد (SSB) دارای مزایای بالقوه مهمی نسبت به باتری‌های Li-ion سنتی هستند که در تلفن‌های روزمره و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می‌شوند. از جمله این مزایای بالقوه، چگالی انرژی بالاتر و شارژ سریعتر است. جداکننده الکترولیت جامد همچنین ممکن است طول عمر بیشتر، دمای عملیاتی گسترده‌تر و افزایش ایمنی را به دلیل عدم وجود حلال‌های آلی قابل اشتعال فراهم کند. یکی از جنبه های حیاتی SSB ها پاسخ تنش ریزساختار آنها به تغییرات ابعادی (کرنش ها) ناشی از انتقال جرم است. کرنش های ترکیبی در ذرات کاتد در باتری های الکترولیت مایع نیز رخ می دهد، اما در SSB ها این کرنش ها منجر به مشکلات مکانیک تماس بین ذرات الکترود منبسط یا منقبض و الکترولیت جامد می شود. در سمت آند، آبکاری فلز لیتیوم حالت تنش پیچیده خود را در سطح مشترک با الکترولیت جامد ایجاد می کند. یکی از ویژگی های مهم SSB ها این است که چنین آبکاری می تواند نه تنها در سطح مشترک الکترود-الکترولیت، بلکه در درون خود الکترولیت جامد، داخل منافذ آن یا در امتداد مرزهای دانه رخ دهد. چنین رسوب محدود لیتیوم مناطقی با استرس هیدرواستاتیکی بالا ایجاد می کند که قادر به شروع شکستگی در الکترولیت هستند. اگرچه اکثر خرابی ها در SSB ها توسط مکانیک هدایت می شود، بیشتر تحقیقات به بهبود انتقال یون و پایداری الکتروشیمیایی الکترولیت ها اختصاص داده شده است. به عنوان تلاشی برای پر کردن این شکاف، در این بررسی ما یک چارچوب مکانیکی برای SSBها ارائه می‌کنیم و تحقیقات پیشرو در این زمینه را بررسی می‌کنیم، با تمرکز بر مکانیسم‌هایی که توسط آن استرس ایجاد، پیشگیری و تسکین می‌یابد.

پیشرفت

فشار به سمت منابع تجدیدپذیر مستلزم ساخت باتری های نسل بعدی با چگالی انرژی بیش از دو برابر باتری های فعلی است که می توانند در 5 دقیقه یا کمتر شارژ شوند. این منجر به مسابقه ای برای توسعه الکترولیت هایی شده است که هم می توانند شارژ سریع 5- دقیقه را تسهیل کنند و هم آندهای فلز لیتیوم را فعال کنند - کلید انرژی بالا. کشف الکترولیت های جامد که پایداری الکتروشیمیایی بالایی با فلز لیتیوم و الکترولیت های جامد سولفیدی با رسانایی یونی بیشتر از هر الکترولیت مایع دارند، باعث تغییر در جامعه تحقیقاتی به سمت SSB ها شده است. اگرچه این اکتشافات این نوید را داده است که SSB ها می توانند چشم انداز شارژ سریع و دو برابر شدن چگالی انرژی را فعال کنند، تحقق این وعده تنها در صورتی امکان پذیر است که رفتار مکانیکی مواد باتری به طور کامل درک شود و مکانیک چند مقیاسی در توسعه SSB ها ادغام شود. .

چشم انداز

چندین چالش کلیدی باید مورد توجه قرار گیرد، از جمله (i) آبکاری لیتیوم غیریکنواخت روی سطح الکترولیت جامد و رسوب فلز لیتیوم در الکترولیت جامد. (ب) از دست دادن تماس سطحی در سلول در نتیجه تغییرات حجمی مرتبط با چرخه الکتروشیمیایی که در تماس های الکترود و همچنین در مرزهای دانه رخ می دهد. و (iii) فرآیندهای تولید برای تشکیل SSB با یک الکترولیت جامد بسیار نازک و حداقل اجزای غیرفعال، از جمله چسب‌ها و تکیه‌گاه‌های ساختاری. مکانیک مخرج مشترک این مشکلات است. رسوب لیتیوم فلزی در سطح و عیوب حجمی یک الکترولیت جامد سرامیکی منجر به تنش‌های محلی بالا می‌شود که می‌تواند منجر به شکستگی الکترولیت با انتشار بیشتر لیتیوم فلزی در ترک‌ها شود. در تولید، به عنوان حداقل نیاز، پشته های کاتد-الکترولیت باید دارای استحکام کافی برای مقاومت در برابر نیروهای اعمال شده توسط تجهیزات باشند. درک بهتر مکانیک مواد SSB به توسعه الکترولیت‌های جامد، کاتدها، آندها، و معماری‌های سلولی و همچنین بسته‌های باتری طراحی شده برای مدیریت استرس‌های تولید و عملکرد باتری منتقل می‌شود.

شکل 1 نمودار شماتیک باتری های لیتیوم فلزی حالت جامد، مکانیک و پدیده های حمل و نقل.

شکل 2 مقیاس طول و مکانیک وابسته به سرعت فلز لیتیوم.

شکل 3 پلاستیسیته توسط تراکم و جریان برشی در مواد بی شکل ایجاد می شود و با ایجاد نابجایی در سرامیک های کریستالی سخت می شود و در نتیجه از شکستگی جلوگیری می کند.

شکل 4 بازیابی تغییر شکل در LiPON، که منجر به رفتار هیسترزیس مانند در طول بارگذاری چرخه‌ای نانو دندانه می‌شود.

شکل 5 آسیب خستگی کاتد جامد کامپوزیت.

شکل 6 نمودار شماتیک انتشار لیتیوم از طریق الکترولیت جامد.