Szilárdtest akkumulátorok: A mechanika kritikus szerepe

Sergiy Kalnaus et al. Szilárdtest akkumulátorok: A mechanika kritikus szerepe. Tudomány. 381, 1300 (2023).

A lítium fém anódokkal ellátott szilárdtest akkumulátorok nagyobb energiasűrűséget, hosszabb élettartamot, szélesebb üzemi hőmérsékletet és nagyobb biztonságot jelentenek. Bár a kutatás nagy része az anyagok és interfészek szállítási kinetikájának és elektrokémiai stabilitásának javítására irányult, vannak olyan kritikus kihívások is, amelyek az anyagok mechanikájának vizsgálatát teszik szükségessé. A szilárd-szilárd interfésszel rendelkező akkumulátorokban a mechanikai érintkezők és a szilárdtest-akkumulátorok működése során fellépő feszültségek ugyanolyan kritikussá válnak, mint az elektrokémiai stabilitás a folyamatos töltésátvitel fenntartása érdekében. Ez az áttekintés a normál és hosszabb akkumulátorciklusból eredő stresszre és feszültségre, valamint a kapcsolódó stresszoldó mechanizmusokra összpontosít, amelyek közül néhány az akkumulátorok meghibásodásához vezet.

HÁTTÉR

A szilárdtest-akkumulátorok (SSB-k) fontos potenciális előnyökkel bírnak a mindennapi telefonokban és elektromos járművekben használt hagyományos Li-ion akkumulátorokkal szemben. Ezen lehetséges előnyök közé tartozik a nagyobb energiasűrűség és a gyorsabb töltés. A szilárd elektrolit-leválasztó hosszabb élettartamot, szélesebb üzemi hőmérsékletet és fokozott biztonságot nyújthat a gyúlékony szerves oldószerek hiánya miatt. Az SSB-k egyik kritikus aspektusa a mikroszerkezetük feszültségre adott válasza a tömegtranszport által vezérelt méretváltozásokra (törzsek). A katódrészecskék összetételi alakzatai folyékony elektrolit akkumulátorokban is előfordulnak, de az SSB-kben ezek a nyúlások érintkezési mechanikai problémákhoz vezetnek a táguló vagy összehúzódó elektródrészecskék és a szilárd elektrolit között. Az anód oldalon a fém lítium bevonása saját komplex feszültségállapotot hoz létre a szilárd elektrolittal való határfelületen. Az SSB-k kritikus jellemzője, hogy az ilyen bevonat nemcsak az elektród-elektrolit határfelületen, hanem magában a szilárd elektrolitban, annak pórusaiban vagy a szemcsehatárok mentén is előfordulhat. Az ilyen zárt lítiumlerakódás nagy hidrosztatikus feszültséggel járó területeket hoz létre, amelyek képesek az elektrolitban töréseket okozni. Bár az SSB-k meghibásodásának többségét a mechanika okozza, a legtöbb kutatás az iontranszport és az elektrolitok elektrokémiai stabilitásának javítására irányult. E szakadék áthidalására tett kísérletként ebben az áttekintésben bemutatjuk az SSB-kre vonatkozó mechanikai keretrendszert, és megvizsgáljuk a terület vezető kutatásait, azokra a mechanizmusokra összpontosítva, amelyek révén a stressz keletkezik, megelőzhető és enyhíthető.

ELŐRELÉSEK

A megújuló erőforrások felé való törekvés olyan új generációs akkumulátorok kifejlesztését igényli, amelyek energiasűrűsége több mint kétszerese a jelenlegi akkumulátorokénak, és amelyek 5 perc vagy annál rövidebb idő alatt tölthetők fel. Ez versenyfutáshoz vezetett az elektrolitok fejlesztéséért, amelyek egyrészt megkönnyítik a 5-perc gyorstöltést, másrészt lehetővé teszik a Li fém anódok használatát – ez a kulcs a nagy energiaellátáshoz. Az olyan szilárd elektrolitok felfedezése, amelyek nagy elektrokémiai stabilitással rendelkeznek Li fémmel és szulfid szilárd elektrolitokkal, amelyek ionvezetőképessége nagyobb, mint bármely folyékony elektrolité, a kutatói közösségben az SSB-k felé való elmozdulást ösztönözték. Bár ezek a felfedezések azt az ígéretet keltették, hogy az SSB-k lehetővé teszik a gyors töltés és az energiasűrűség megkétszerezésének elképzelését, ennek az ígéretnek a megvalósítása csak akkor valósítható meg, ha az akkumulátorok anyagának mechanikai viselkedését alaposan megértjük, és a többlépcsős mechanikát integrálják az SSB-k fejlesztésébe. .

KITEKINTÉS

Számos kulcsfontosságú kihívással kell foglalkozni, ideértve (i) a szilárd elektrolit felületén az egyenetlen lítium bevonatot és a lítium fém lerakódását a szilárd elektrolitban; (ii) a cellán belüli határfelületi érintkezés elvesztése az elektródák érintkezésein és a szemcsehatárokon fellépő elektrokémiai ciklusokhoz kapcsolódó térfogatváltozások következtében; és (iii) gyártási folyamatok SSB-k előállítására nagyon vékony szilárd elektrolittal és minimális inaktív komponensekkel, beleértve a kötőanyagokat és a szerkezeti hordozókat. A mechanika egy közös nevező, amely összeköti ezeket a problémákat. A fémes lítium lerakódása a kerámia szilárd elektrolit felületén és térfogati hibái helyi nagy feszültségeket eredményeznek, amelyek az elektrolit töréséhez vezethetnek, és a fém lítium tovább terjed a repedésekbe. A gyártás során minimális követelmény, hogy a katód-elektrolit kötegek elegendő szilárdsággal rendelkezzenek ahhoz, hogy ellenálljanak a berendezés által kifejtett erőknek. Az SSB anyagok mechanikájának jobb megértése át fog terjedni a szilárd elektrolitok, katódok, anódok és cellaarchitektúrák, valamint az akkumulátorok gyártása és működése során fellépő feszültségek kezelésére tervezett akkumulátorcsomagok fejlesztésére.

1. ábra Lítium fém szilárdtest akkumulátorok, mechanika és szállítási jelenségek sematikus diagramja.

2. ábra A lítium fém hosszskálája és sebességfüggő mechanikája.

3. ábra A plaszticitást az amorf anyagok sűrűsödése és nyírási áramlása váltja ki, a kristályos kerámiákban pedig diszlokációk bevezetése erősíti, ezáltal elkerülhető a törés.

4. ábra Deformáció helyreállítása LiPON-ban, ami hiszterézisszerű viselkedést eredményez a nanoindentáció ciklikus terhelése során.

5. ábra Kompozit szilárd katód kifáradási károsodása.

6. ábra A lítium szilárd elektroliton keresztüli terjedésének sematikus diagramja.