Сергій Калнаус та ін. Твердотільні батареї: критична роль механіки. Наука. 381, 1300 (2023).
Твердотільні батареї з металевими літієвими анодами мають потенціал для вищої щільності енергії, довшого терміну служби, ширшої робочої температури та підвищеної безпеки. Незважаючи на те, що основна частина досліджень зосереджена на покращенні кінетики транспортування та електрохімічної стабільності матеріалів і поверхонь розділу, існують також критичні проблеми, які вимагають дослідження механіки матеріалів. В батареях із твердо-твердим інтерфейсом механічні контакти та розвиток напруги під час роботи твердотільних акумуляторів стають такими ж критичними, як і електрохімічна стабільність для підтримки сталого перенесення заряду на цих інтерфейсах. У цьому огляді буде зосереджено увагу на навантаженні та напрузі, які є результатом нормальної та тривалої роботи батареї, а також на пов’язаних механізмах зняття напруги, деякі з яких призводять до виходу з ладу цих батарей.
ФОН
Твердотільні батареї (SSB) мають важливі потенційні переваги перед традиційними літій-іонними батареями, які використовуються в повсякденних телефонах і електромобілях. Серед цих потенційних переваг — вища щільність енергії та швидша зарядка. Сепаратор твердого електроліту також може забезпечити довший термін служби, ширшу робочу температуру та підвищену безпеку завдяки відсутності легкозаймистих органічних розчинників. Одним із критичних аспектів SSB є реакція їхньої мікроструктури на навантаження на зміни розмірів (деформації), спричинені транспортуванням маси. Композиційні деформації частинок катода також виникають в батареях з рідким електролітом, але в SSB ці деформації призводять до проблем механіки контакту між частинками електрода, що розширюються або стискаються, і твердим електролітом. З боку анода покриття металевого літію створює власний складний напружений стан на межі розділу з твердим електролітом. Критичною особливістю SSB є те, що таке покриття може відбуватися не тільки на межі електрод–електроліт, але й у самому твердому електроліті, всередині його пор або вздовж меж зерен. Таке обмежене осадження літію створює зони з високою гідростатичною напругою, здатні ініціювати тріщини в електроліті. Незважаючи на те, що більшість несправностей у SSBs викликана механікою, більшість досліджень було присвячено покращенню транспорту іонів та електрохімічної стабільності електролітів. Щоб подолати цю прогалину, у цьому огляді ми представляємо структуру механіки для SSBs і розглядаємо провідні дослідження в цій галузі, зосереджуючись на механізмах, за допомогою яких стрес створюється, запобігає та знімається.
АВАНСИ
Поштовх до відновлюваних джерел вимагає розробки акумуляторів наступного покоління з щільністю енергії більш ніж вдвічі, ніж у сучасних акумуляторів, і які можуть заряджатися за 5 хвилин або менше. Це призвело до гонки за розробкою електролітів, які могли б полегшити 5-хвилинне швидке заряджання та використати Li металеві аноди — ключ до високої енергії. Відкриття твердих електролітів, які мають високу електрохімічну стабільність з металевим літієм, і сульфідних твердих електролітів з іонною провідністю, вищою, ніж у будь-якого рідкого електроліту, підштовхнуло дослідницьке співтовариство до переходу до ССБ. Незважаючи на те, що ці відкриття дали надію на те, що SSBs можуть уможливити бачення швидкої зарядки та подвоєння щільності енергії, реалізація цієї обіцянки можлива лише за умови глибокого розуміння механічної поведінки матеріалів акумулятора та інтеграції багатомасштабної механіки в розробку SSBs. .
ПЕРСПЕКТИВА
Необхідно вирішити кілька ключових проблем, включаючи (i) нерівномірне нанесення літію на поверхню твердого електроліту та осадження металевого літію в твердому електроліті; (ii) втрата міжфазного контакту в комірці в результаті змін об’єму, пов’язаних з електрохімічним циклом, який відбувається на контактах електродів, а також на межах зерен; і (iii) виробничі процеси для формування SSBs з дуже тонким твердим електролітом і мінімумом неактивних компонентів, включаючи зв’язувальні та структурні опори. Механіка є спільним знаменником, що поєднує ці проблеми. Відкладення металевого літію в поверхневих і об'ємних дефектах керамічного твердого електроліту призводить до локальних високих напруг, які можуть призвести до руйнування електроліту з подальшим поширенням металевого літію в тріщини. У виробництві, як мінімальна вимога, стоси катод-електроліт повинні мати достатню міцність, щоб витримувати зусилля, що прикладаються обладнанням. Краще розуміння механіки матеріалів SSB дозволить розробити тверді електроліти, катоди, аноди та архітектури елементів, а також акумуляторні блоки, призначені для керування навантаженнями при виробництві та експлуатації акумуляторів.
Рисунок 1. Принципова діаграма літієвих металевих твердотільних батарей, механіка та транспортні явища.
Рисунок 2 Масштаб довжини та залежна від швидкості механіка металевого літію.
Малюнок 3. Пластичність викликається ущільненням і течією зсуву в аморфних матеріалах і посилюється введенням дислокацій у кристалічній кераміці, що дозволяє уникнути руйнування.
Малюнок 4 Відновлення деформації в LiPON, що призводить до гістерезисної поведінки під час циклічного навантаження наноіндентування.
Рисунок 5 Втомне пошкодження композитного твердого катода.
Рисунок 6. Принципова діаграма поширення літію через твердий електроліт.
