Solid-state batterijen: de cruciale rol van mechanica

Sergiy Kalnaus, et al. Solid-state batterijen: de cruciale rol van mechanica. Wetenschap. 381, 1300 (2023).

Solid-state batterijen met lithiummetaalanodes hebben het potentieel voor een hogere energiedichtheid, een langere levensduur, een bredere bedrijfstemperatuur en meer veiligheid. Hoewel het grootste deel van het onderzoek zich heeft gericht op het verbeteren van de transportkinetiek en de elektrochemische stabiliteit van de materialen en grensvlakken, zijn er ook kritische uitdagingen die onderzoek naar de mechanica van materialen vereisen. Bij batterijen met vaste-stof-interfaces worden mechanische contacten en de ontwikkeling van spanningen tijdens de werking van de solid-state-batterijen net zo cruciaal als de elektrochemische stabiliteit om een ​​stabiele ladingsoverdracht op deze interfaces te behouden. Deze beoordeling zal zich richten op stress en spanning die het gevolg zijn van normale en langdurige batterijcyclussen en de bijbehorende mechanismen voor stressverlichting, waarvan sommige leiden tot het falen van deze batterijen.

ACHTERGROND

Solid State-batterijen (SSB's) hebben belangrijke potentiële voordelen ten opzichte van traditionele Li-ion-batterijen die worden gebruikt in alledaagse telefoons en elektrische voertuigen. Tot deze potentiële voordelen behoren een hogere energiedichtheid en sneller opladen. Een vaste elektrolytafscheider kan ook een langere levensduur, een bredere bedrijfstemperatuur en een grotere veiligheid bieden vanwege de afwezigheid van ontvlambare organische oplosmiddelen. Een van de kritische aspecten van SSB's is de stressreactie van hun microstructuur op dimensionale veranderingen (spanningen) veroorzaakt door massatransport. De samenstellingsspanningen in kathodedeeltjes komen ook voor in vloeibare elektrolytbatterijen, maar in SSB's leiden deze spanningen tot contactmechanische problemen tussen uitzettende of samentrekkende elektrodedeeltjes en vaste elektrolyt. Aan de anodezijde het plateren van lithiummetaal creëert zijn eigen complexe spanningstoestand op het grensvlak met de vaste elektrolyt. Een cruciaal kenmerk van SSB's is dat een dergelijke galvanisering niet alleen kan plaatsvinden op het grensvlak tussen elektrode en elektrolyt, maar ook in de vaste elektrolyt zelf, in de poriën of langs de korrelgrenzen. Een dergelijke beperkte lithiumafzetting creëert gebieden met hoge hydrostatische spanning die breuken in de elektrolyt kunnen veroorzaken. Hoewel het merendeel van de storingen in SSB's wordt veroorzaakt door mechanica, is het grootste deel van het onderzoek gewijd aan het verbeteren van het ionentransport en de elektrochemische stabiliteit van elektrolyten. Als een poging om deze kloof te overbruggen presenteren we in dit overzicht een mechanisch raamwerk voor SSB's en onderzoeken we toonaangevend onderzoek op dit gebied, waarbij we ons concentreren op de mechanismen waarmee stress wordt gegenereerd, voorkomen en verlicht. Een cruciaal kenmerk van SSB's is dat een dergelijke galvanisering niet alleen kan plaatsvinden op het grensvlak tussen elektrode en elektrolyt, maar ook in de vaste elektrolyt zelf, in de poriën of langs de korrelgrenzen. Een dergelijke beperkte lithiumafzetting creëert gebieden met hoge hydrostatische spanning die breuken in de elektrolyt kunnen veroorzaken. Hoewel het merendeel van de storingen in SSB's wordt veroorzaakt door mechanica, is het grootste deel van het onderzoek gewijd aan het verbeteren van het ionentransport en de elektrochemische stabiliteit van elektrolyten. Als een poging om deze kloof te overbruggen presenteren we in dit overzicht een mechanisch raamwerk voor SSB's en onderzoeken we toonaangevend onderzoek op dit gebied, waarbij we ons concentreren op de mechanismen waarmee stress wordt gegenereerd, voorkomen en verlicht. Een cruciaal kenmerk van SSB's is dat een dergelijke galvanisering niet alleen kan plaatsvinden op het grensvlak tussen elektrode en elektrolyt, maar ook in de vaste elektrolyt zelf, in de poriën of langs de korrelgrenzen. Een dergelijke beperkte lithiumafzetting creëert gebieden met hoge hydrostatische spanning die breuken in de elektrolyt kunnen veroorzaken. Hoewel het merendeel van de storingen in SSB's wordt veroorzaakt door mechanica, is het grootste deel van het onderzoek gewijd aan het verbeteren van het ionentransport en de elektrochemische stabiliteit van elektrolyten. Als een poging om deze kloof te overbruggen presenteren we in dit overzicht een mechanisch raamwerk voor SSB's en onderzoeken we toonaangevend onderzoek op dit gebied, waarbij we ons concentreren op de mechanismen waarmee stress wordt gegenereerd, voorkomen en verlicht. in de poriën of langs de korrelgrenzen. Een dergelijke beperkte lithiumafzetting creëert gebieden met hoge hydrostatische spanning die breuken in de elektrolyt kunnen veroorzaken. Hoewel het merendeel van de storingen in SSB's wordt veroorzaakt door mechanica, is het grootste deel van het onderzoek gewijd aan het verbeteren van het ionentransport en de elektrochemische stabiliteit van elektrolyten. Als een poging om deze kloof te overbruggen presenteren we in dit overzicht een mechanisch raamwerk voor SSB's en onderzoeken we toonaangevend onderzoek op dit gebied, waarbij we ons concentreren op de mechanismen waarmee stress wordt gegenereerd, voorkomen en verlicht. in de poriën of langs de korrelgrenzen. Een dergelijke beperkte lithiumafzetting creëert gebieden met hoge hydrostatische spanning die breuken in de elektrolyt kunnen veroorzaken. Hoewel het merendeel van de storingen in SSB's wordt veroorzaakt door mechanica, is het grootste deel van het onderzoek gewijd aan het verbeteren van het ionentransport en de elektrochemische stabiliteit van elektrolyten. Als een poging om deze kloof te overbruggen presenteren we in dit overzicht een mechanisch raamwerk voor SSB's en onderzoeken we toonaangevend onderzoek op dit gebied, waarbij we ons concentreren op de mechanismen waarmee stress wordt gegenereerd, voorkomen en verlicht. het grootste deel van het onderzoek is gewijd aan het verbeteren van ionentransport en de elektrochemische stabiliteit van elektrolyten. Als een poging om deze kloof te overbruggen presenteren we in dit overzicht een mechanisch raamwerk voor SSB's en onderzoeken we toonaangevend onderzoek op dit gebied, waarbij we ons concentreren op de mechanismen waarmee stress wordt gegenereerd, voorkomen en verlicht. het grootste deel van het onderzoek is gewijd aan het verbeteren van het ionentransport en de elektrochemische stabiliteit van elektrolyten. Als een poging om deze kloof te overbruggen presenteren we in dit overzicht een mechanisch raamwerk voor SSB's en onderzoeken we toonaangevend onderzoek op dit gebied, waarbij we ons concentreren op de mechanismen waarmee stress wordt gegenereerd, voorkomen en verlicht.

VOORDELEN

De drang naar hernieuwbare bronnen vereist de ontwikkeling van batterijen van de volgende generatie met een energiedichtheid die meer dan het dubbele is van die van de huidige batterijen en die in 5 minuten of minder kunnen worden opgeladen. Dit heeft geleid tot een race om elektrolyten te ontwikkelen die zowel snel opladen in 5 minuten mogelijk maken als Li-metaalanodes mogelijk maken – de sleutel tot hoge energie. De ontdekking van vaste elektrolyten met een hoge elektrochemische stabiliteit met Li-metaal en vaste sulfide-elektrolyten met ionische geleidbaarheid groter dan die van welke vloeibare elektrolyt dan ook, heeft geleid tot een verschuiving in de onderzoeksgemeenschap naar SSB's. Hoewel deze ontdekkingen de belofte hebben gezaaid dat SSB's de visie van snel opladen en een verdubbeling van de energiedichtheid mogelijk kunnen maken,

VOORUITZICHTEN

Verschillende belangrijke uitdagingen moeten worden aangepakt, waaronder (i) niet-uniforme lithium-plating op een vast elektrolytoppervlak en afzetting van lithiummetaal in de vaste elektrolyt; (ii) verlies van grensvlakcontact binnen de cel als gevolg van de volumeveranderingen die verband houden met de elektrochemische cycli die optreden bij elektrodecontacten en ook bij korrelgrenzen; en (iii) productieprocessen om SSB's te vormen met een zeer dunne vaste elektrolyt en een minimum aan inactieve componenten, inclusief bindmiddelen en structurele ondersteuningen. Mechanica is een gemeenschappelijke noemer die deze problemen met elkaar verbindt. Afzetting van metallisch lithium in het oppervlak en volumedefecten van een keramische vaste elektrolyt resulteren in lokale hoge spanningen die kunnen leiden tot elektrolytbreuk met verdere voortplanting van metallisch lithium in de scheuren. Bij de productie, als minimumvereiste moeten de kathode-elektrolytstapels voldoende sterkte hebben om de krachten te weerstaan ​​die door de apparatuur worden uitgeoefend. Een beter begrip van de mechanica van SSB-materialen zal worden overgedragen op de ontwikkeling van vaste elektrolyten, kathodes, anoden en celarchitecturen, evenals batterijpakketten die zijn ontworpen om de spanningen van de productie en het gebruik van batterijen te beheersen.

 Figuur 1 Schematisch diagram van lithium-metaal-vastestofbatterijen, mechanica en transportverschijnselen.

 Figuur 2 Lengteschaal en snelheidsafhankelijke mechanica van lithiummetaal.

 Figuur 3 Plasticiteit wordt veroorzaakt door verdichting en schuifstroming in amorfe materialen en versterkt door de introductie van dislocaties in kristallijne keramiek, waardoor breuk wordt vermeden.

 Figuur 4 Vervormingsherstel in LiPON, resulterend in hysterese-achtig gedrag tijdens cyclische belasting van nano-indentatie.

 Figuur 5 Vermoeiingsschade aan een vaste kathode van composiet.

 Figuur 6 Schematisch diagram van de voortplanting van lithium door vaste elektrolyt.