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Science重磅固態(tài)電池機(jī)械行為綜述 儲能科學(xué)與技術(shù)

時(shí)間:2023-09-24 12:08來源:儲能科學(xué)與技術(shù) 作者:綜合報(bào)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(shí)驗(yàn)室
 
【研究亮點(diǎn)】
 
采用鋰金屬負(fù)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(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性上，但也存在需要研究材料力學(xué)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在具有固-固界面的電池中，機(jī)械接觸以及固態(tài)電池運(yùn)行過程中應(yīng)力的產(chǎn)生，與保持這些界面處穩(wěn)定的電荷轉(zhuǎn)移的電化學(xué)穩(wěn)定性一樣重要。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室Sergiy Kalnaus研究員等人今日在Science發(fā)表綜述文章重點(diǎn)關(guān)注電池循環(huán)過程產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變以及相關(guān)的應(yīng)力緩解機(jī)制。
 
【主要內(nèi)容】
 
背景
與日常手機(jī)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(jī)溶劑，固體電解質(zhì)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(fù)極和層狀氧化物或轉(zhuǎn)化正極的固態(tài)鋰金屬電池有可能使當(dāng)今最先進(jìn)的使用液態(tài)電解質(zhì)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(fù)極的金屬鋰沉積。液態(tài)電解質(zhì)可以立即適應(yīng)電極的體積變化，而不會在電解質(zhì)中積聚應(yīng)力或失去與正極顆粒的接觸。然而，當(dāng)改用SSB時(shí)，這些成分應(yīng)變、它們引起的應(yīng)力以及如何緩解這些應(yīng)力對于電池性能至關(guān)重要。SSB中的大多數(shù)故障首先是機(jī)械故障。SSB的成功設(shè)計(jì)將與材料如何有效地管理這些電池中的應(yīng)力和應(yīng)變的演變密切相關(guān)。
 
在負(fù)極側(cè)，鋰金屬沉積在與固體電解質(zhì)的界面處產(chǎn)生了其自身的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。鋰金屬沉積不僅可以發(fā)生在電極-電解質(zhì)界面處，還可以發(fā)生在固體電解質(zhì)本身、其孔內(nèi)或沿著晶界。這種受限的鋰沉積產(chǎn)生了具有高應(yīng)力的區(qū)域，能夠在電解質(zhì)中引發(fā)破裂。盡管SSB的大多數(shù)故障都是由力學(xué)引起的，但目前大多數(shù)研究都致力于改善電解質(zhì)的離子傳輸和電化學(xué)穩(wěn)定性。為了彌補(bǔ)這一差距，在這篇綜述中，作者提出了SSB的力學(xué)框架，并總結(jié)了該領(lǐng)域的領(lǐng)先研究，重點(diǎn)關(guān)注應(yīng)力產(chǎn)生、預(yù)防和緩解的機(jī)制。
 
進(jìn)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(xiàn)有電池的兩倍以上，并且可以在 5分鐘或更短的時(shí)間內(nèi)充電。這引發(fā)了一場開發(fā)電解質(zhì)的競賽，既可以促進(jìn)5分鐘快速充電，又可以實(shí)現(xiàn)鋰金屬負(fù)極——這是高能量的關(guān)鍵。對鋰金屬具有高電化學(xué)穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)，以及離子電導(dǎo)率高于任何液體電解質(zhì)的硫化物固體電解質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，促使研究轉(zhuǎn)向SSB。盡管這些發(fā)現(xiàn)已經(jīng)播下了SSB可以實(shí)現(xiàn)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(jī)械行為并且將多尺度力學(xué)集成到SSB的開發(fā)中，才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
 
展望
必須解決幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，包括（i）固態(tài)電解質(zhì)表面上的鋰沉積層不均勻以及固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)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(xué)循環(huán)相關(guān)的體積變化，導(dǎo)致電池內(nèi)界面接觸的損失；(iii) 使用非常薄的固態(tài)電解質(zhì)和最少的非活性成分（包括粘合劑和結(jié)構(gòu)支撐物）形成SSB的制造工藝。力學(xué)是連接這些問題的共同點(diǎn)。金屬鋰沉積到陶瓷固態(tài)電解質(zhì)的表面和體積缺陷中會導(dǎo)致局部高應(yīng)力，隨著金屬鋰進(jìn)一步擴(kuò)散到裂紋中，可能導(dǎo)致電解質(zhì)破裂。在制造過程中，作為最低要求，正極-電解質(zhì)堆棧應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度以承受施加的力。對SSB材料中機(jī)械行為的更好理解將促進(jìn)固態(tài)電解質(zhì)、正極、負(fù)極和電池架構(gòu)以及旨在管理電池制造和運(yùn)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(yīng)的力學(xué)（黑色背景）和傳輸（白色背景）現(xiàn)象的示意圖。
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圖2 | 鋰金屬的長度尺度和速率相關(guān)力學(xué)。
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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(cuò)來增韌，從而避免斷裂。
圖片圖4 | LiPON中的變形恢復(fù)，導(dǎo)致循環(huán)加載納米壓痕時(shí)出現(xiàn)類似磁滯的行為。
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圖5 | 復(fù)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(zhì)的傳播示意圖。
         
【文獻(xiàn)信息】
Sergiy Kalnaus, et al. Solid-state batteries: The critical role of mechanics. Science. 381, 1300 (2023).
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 電池 固態(tài)電池
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