Sergiy Kalnaus, et ai. Solid-state-akut: mekaniikan kriittinen rooli. Tiede. 381, 1300 (2023).
Litiummetallianodilla varustetut solid-state-akut voivat lisätä energiatiheyttä, pidentää käyttöikää, laajentaa käyttölämpötilaa ja parantaa turvallisuutta. Vaikka suurin osa tutkimuksesta on keskittynyt materiaalien ja rajapintojen kuljetuskinetiikan ja sähkökemiallisen stabiiliuden parantamiseen, on myös kriittisiä haasteita, jotka vaativat materiaalien mekaniikan tutkimista. Akuissa, joissa on kiinteä-kiinteä-rajapinta, mekaaniset koskettimet ja jännitysten kehittyminen solid-state-akkujen käytön aikana tulevat yhtä kriittisiksi kuin sähkökemiallinen stabiilius, jotta latauksen siirto pysyy tasaisena näissä liitännöissä. Tässä katsauksessa keskitytään stressiin ja rasitukseen, jotka johtuvat normaalista ja pidennetystä akun kierrosta ja niihin liittyvistä stressinpoistomekanismeista, joista osa johtaa näiden akkujen vikaantumiseen.
TAUSTA
Solid-state-akuilla (SSB) on merkittäviä mahdollisia etuja verrattuna perinteisiin Li-ion-akkuihin, joita käytetään jokapäiväisissä puhelimissa ja sähköajoneuvoissa. Näihin mahdollisiin etuihin kuuluu suurempi energiatiheys ja nopeampi lataus. Kiinteä elektrolyyttierotin voi myös tarjota pidemmän käyttöiän, leveämmän käyttölämpötilan ja paremman turvallisuuden, koska siinä ei ole syttyviä orgaanisia liuottimia. Yksi SSB:n kriittisistä näkökohdista on niiden mikrorakenteen jännitysvaste massakuljetuksen aiheuttamiin mittamuutoksiin (jännityksiin). Katodihiukkasten koostumusta esiintyy myös nestemäisissä elektrolyyttiakuissa, mutta SSB-akuissa nämä jännitykset johtavat kosketusmekaniikkaongelmiin laajenevien tai supistuvien elektrodihiukkasten ja kiinteän elektrolyytin välillä. Anodin puolella litiummetallipinnoitus luo oman monimutkaisen jännitystilan rajapinnalle kiinteän elektrolyytin kanssa. SSB:iden kriittinen ominaisuus on, että tällainen pinnoitus voi tapahtua elektrodin ja elektrolyytin rajapinnan lisäksi itse kiinteässä elektrolyytissä, sen huokosten sisällä tai raerajoilla. Tällainen rajoitettu litiumpinnoitus luo alueita, joissa on korkea hydrostaattinen jännitys ja jotka voivat aiheuttaa murtumia elektrolyytissä. Vaikka suurin osa SSB:n vioista johtuu mekaniikasta, suurin osa tutkimuksesta on omistettu ionien kuljetuksen ja elektrolyyttien sähkökemiallisen stabiilisuuden parantamiseen. Pyrimme kuromaan umpeen tätä aukkoa tässä katsauksessa esittelemme SSB:n mekaniikkakehyksen ja tarkastelemme alan johtavaa tutkimusta keskittyen mekanismeihin, joilla stressiä syntyy, estetään ja lievitetään.
ENNAKKEET
Pyrkimys kohti uusiutuvia luonnonvaroja edellyttää seuraavan sukupolven akkujen kehittämistä, joiden energiatiheys on yli kaksinkertainen nykyisten akkujen energiatiheyteen verrattuna ja jotka latautuvat 5 minuutissa tai vähemmän. Tämä on johtanut kilpailuun kehittää elektrolyyttejä, jotka voivat sekä helpottaa 5-minin nopeaa latausta että mahdollistaa litiummetallianodit – avain korkeaan energiaan. Kiinteiden elektrolyyttien löytäminen, joilla on korkea sähkökemiallinen stabiilisuus litiummetallin ja kiinteiden sulfidielektrolyyttien kanssa, joiden ioninjohtavuus on suurempi kuin minkä tahansa nestemäisen elektrolyytin, on kannustanut tutkimusyhteisöä siirtymään kohti SSB:itä. Vaikka nämä löydöt ovat kylväneet lupauksen siitä, että SSB:t voivat mahdollistaa vision nopeasta latauksesta ja energiatiheyden kaksinkertaistamisesta, tämän lupauksen toteuttaminen on mahdollista vain, jos akkumateriaalien mekaaninen käyttäytyminen ymmärretään perusteellisesti ja monimittakaavainen mekaniikka integroidaan SSB:iden kehittämiseen. .
NÄKYMÄT
Useita keskeisiä haasteita on käsiteltävä, mukaan lukien (i) epätasainen litiumpinnoitus kiinteälle elektrolyytin pinnalle ja litiummetallin kerrostuminen kiinteään elektrolyytiin; (ii) rajapintakontaktin menetys kennon sisällä tilavuusmuutosten seurauksena, jotka liittyvät sähkökemialliseen kiertoon, joka tapahtuu elektrodien kosketuksissa ja myös raerajoilla; ja (iii) valmistusprosessit SSB:iden muodostamiseksi, joissa on erittäin ohut kiinteä elektrolyytti ja mahdollisimman vähän inaktiivisia komponentteja, mukaan lukien sideaineet ja rakennetuet. Mekaniikka on yhteinen nimittäjä, joka yhdistää nämä ongelmat. Metallisen litiumin laskeutuminen keraamisen kiinteän elektrolyytin pinta- ja tilavuusvirheisiin johtaa paikallisiin suuriin jännityksiin, jotka voivat johtaa elektrolyytin murtumiseen ja metallisen litiumin leviämiseen halkeamiin. Valmistuksessa vähimmäisvaatimuksena katodi-elektrolyyttipinojen tulee olla tarpeeksi lujia kestämään laitteiston aiheuttamat voimat. SSB-materiaalien mekaniikan parempi ymmärtäminen siirtyy kiinteiden elektrolyyttien, katodien, anodien ja kennoarkkitehtuurien sekä akkupakkausten kehittämiseen, jotka on suunniteltu hallitsemaan akkujen valmistuksen ja käytön aiheuttamia rasituksia.
Kuva 1 Kaaviokuva litiummetallista solid-state-akkuja, mekaniikkaa ja kuljetusilmiöitä.
Kuva 2 Litiummetallin pituusasteikko ja nopeudesta riippuva mekaniikka.
Kuva 3 Plastisuus laukaisee tiivistymisen ja leikkausvirtauksen amorfisissa materiaaleissa ja sitkeytyy kiteiseen keramiikkaan aiheuttamalla dislokaatioita, jolloin vältetään murtuminen.
Kuva 4 Muodon palautuminen LiPONissa, mikä johtaa hystereesin kaltaiseen käyttäytymiseen nanoindentaation syklisen kuormituksen aikana.
Kuva 5 Kiinteän komposiittikatodin väsymisvaurio.
Kuva 6 Kaaviokaavio litiumin etenemisestä kiinteän elektrolyytin läpi.
