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Science重磅固態(tài)電池機械行為綜述 儲能科學與技術

時間:2023-09-24 12:08來源:儲能科學與技術 作者:綜合報道
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第一作者：Sergiy Kalnaus
通訊作者：Sergiy Kalnaus
通訊單位：美國橡樹嶺國家實驗室
 
【研究亮點】
 
采用鋰金屬負極的固態(tài)電池具有更高的能量密度、更長的使用壽命、更寬的工作溫度和更高的安全性。盡管大部分研究都集中在提高材料和界面的傳輸動力學和電化學穩(wěn)定性上，但也存在需要研究材料力學的關鍵挑戰(zhàn)。在具有固-固界面的電池中，機械接觸以及固態(tài)電池運行過程中應力的產生，與保持這些界面處穩(wěn)定的電荷轉移的電化學穩(wěn)定性一樣重要。美國橡樹嶺國家實驗室Sergiy Kalnaus研究員等人今日在Science發(fā)表綜述文章重點關注電池循環(huán)過程產生的應力和應變以及相關的應力緩解機制。
 
【主要內容】
 
背景
與日常手機和電動汽車中使用的傳統(tǒng)鋰離子電池相比，固態(tài)電池（SSB）具有重要的潛在優(yōu)勢，包括更高的能量密度和更快的充電速度。由于不含易燃有機溶劑，固體電解質隔膜還可以提供更長的使用壽命、更寬的工作溫度和更高的安全性。采用鋰金屬負極和層狀氧化物或轉化正極的固態(tài)鋰金屬電池有可能使當今最先進的使用液態(tài)電解質的鋰離子電池的比能量幾乎增加一倍。然而，存儲和釋放這種能量會伴隨著電極的尺寸變化：正極的晶格拉伸和扭曲以及負極的金屬鋰沉積。液態(tài)電解質可以立即適應電極的體積變化，而不會在電解質中積聚應力或失去與正極顆粒的接觸。然而，當改用SSB時，這些成分應變、它們引起的應力以及如何緩解這些應力對于電池性能至關重要。SSB中的大多數故障首先是機械故障。SSB的成功設計將與材料如何有效地管理這些電池中的應力和應變的演變密切相關。
 
在負極側，鋰金屬沉積在與固體電解質的界面處產生了其自身的復雜應力狀態(tài)。鋰金屬沉積不僅可以發(fā)生在電極-電解質界面處，還可以發(fā)生在固體電解質本身、其孔內或沿著晶界。這種受限的鋰沉積產生了具有高應力的區(qū)域，能夠在電解質中引發(fā)破裂。盡管SSB的大多數故障都是由力學引起的，但目前大多數研究都致力于改善電解質的離子傳輸和電化學穩(wěn)定性。為了彌補這一差距，在這篇綜述中，作者提出了SSB的力學框架，并總結了該領域的領先研究，重點關注應力產生、預防和緩解的機制。
 
進展
推動可再生資源的發(fā)展需要開發(fā)下一代電池，其能量密度是現有電池的兩倍以上，并且可以在 5分鐘或更短的時間內充電。這引發(fā)了一場開發(fā)電解質的競賽，既可以促進5分鐘快速充電，又可以實現鋰金屬負極——這是高能量的關鍵。對鋰金屬具有高電化學穩(wěn)定性的固態(tài)電解質，以及離子電導率高于任何液體電解質的硫化物固體電解質的發(fā)現，促使研究轉向SSB。盡管這些發(fā)現已經播下了SSB可以實現快速充電和能量密度加倍的愿景，但只有徹底了解電池材料的機械行為并且將多尺度力學集成到SSB的開發(fā)中，才能實現這一目標。
 
展望
必須解決幾個關鍵挑戰(zhàn)，包括（i）固態(tài)電解質表面上的鋰沉積層不均勻以及固態(tài)電解質內鋰金屬的沉積；(ii) 由于電極接觸處以及晶界處發(fā)生的電化學循環(huán)相關的體積變化，導致電池內界面接觸的損失；(iii) 使用非常薄的固態(tài)電解質和最少的非活性成分（包括粘合劑和結構支撐物）形成SSB的制造工藝。力學是連接這些問題的共同點。金屬鋰沉積到陶瓷固態(tài)電解質的表面和體積缺陷中會導致局部高應力，隨著金屬鋰進一步擴散到裂紋中，可能導致電解質破裂。在制造過程中，作為最低要求，正極-電解質堆棧應具有足夠的強度以承受施加的力。對SSB材料中機械行為的更好理解將促進固態(tài)電解質、正極、負極和電池架構以及旨在管理電池制造和運行壓力的電池組的開發(fā)。
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圖1 | 鋰金屬固態(tài)電池和相應的力學（黑色背景）和傳輸（白色背景）現象的示意圖。
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圖2 | 鋰金屬的長度尺度和速率相關力學。
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圖3 | 通過非晶態(tài)材料的致密化和剪切流觸發(fā)塑性，并通過在晶體陶瓷中引入位錯來增韌，從而避免斷裂。
圖片圖4 | LiPON中的變形恢復，導致循環(huán)加載納米壓痕時出現類似磁滯的行為。
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圖5 | 復合固態(tài)正極的疲勞損傷。
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圖6 | 鋰通過固態(tài)電解質的傳播示意圖。
         
【文獻信息】
Sergiy Kalnaus, et al. Solid-state batteries: The critical role of mechanics. Science. 381, 1300 (2023).
 
(責任編輯：子蕊)
文章標簽： 電池 固態(tài)電池
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