Es probable que investigaciones anteriores sobre baterías de estado sólidoDemasiado unilateral. Una reseña publicada en el último número de Science plantea este punto de vista. Debido al deseo de lograr baterías de estado sólido con alto rendimiento y ciclo de vida alto, la mayoría de las investigaciones actuales se dedican a mejorar el rendimiento de las baterías de estado sólido.Propiedades electroquímicas. De hecho, las baterías de estado sólidoestructura mecanicaTambién hay que tenerlo en cuenta.
¿Por qué estudiar estructuras mecánicas? ¿Cómo entender la estructura mecánica de las baterías de estado sólido bajo diferentes materiales?
Las baterías de estado sólido fallan debido a una estructura mecánica. ¿Cuáles son las soluciones correspondientes?
Cinco autores del Laboratorio Nacional Oak Ridge y la Universidad Tecnológica de Michigan respondieron estas preguntas en detalle.
El papel clave de la mecánica en las baterías de estado sólido
Dado que debemos prestar atención a la estructura mecánica de las baterías de estado sólido, ¿cómo evaluarlas y diseñarlas?
El artículo proporciona un marco para comprender y diseñar baterías de estado sólido mecánicamente confiables.
El marco incluye tres aspectos:
1. Identificar y comprender las fuentes de tensión local en la batería de estado sólido;
2. Comprender esta tensión, especialmente en la interfaz de la batería, y la respuesta de los materiales de la batería a estas tensiones;
3. Diseñar materiales y celdas de batería con la evolución de tensión y deformación requerida.
en,estréses la cantidad de fuerza externa ejercida sobre el material,cepaSe refiere al grado de deformación de un material cuando se somete a una fuerza externa.
Tomando como ejemplo los electrolitos sólidos, es bien sabido que el factor clave por el cual las baterías de litio sólidas son más seguras que las baterías de litio líquidas es que los electrolitos sólidos de las baterías sólidas pueden efectivamenteInhibir el crecimiento de dendritas de litio..
Dendrita de litio
Los diferentes materiales de electrolitos sólidos también tienen diferentes efectos inhibidores sobre las dendritas de litio. Un criterio para evaluar el efecto inhibidor es la calidad del material.estrés y tensión.
Si dicho electrolito sólido no es propenso a la deformación elástica incluso si se somete a una gran tensión, como un electrolito de óxido, esto significa que este material de electrolito sólido puede inhibir eficazmente el crecimiento de dendritas de litio; pero al mismo tiempo, la dureza y rigidez del electrolito de óxido son muy altas y es más probable que se produzcan fracturas, lo que afecta el rendimiento de la batería de estado sólido.
Curva de relación tensión-deformación, documento de referencia fuente 2
Por lo tanto, al elegir un electrolito de estado sólido, elegir un material con propiedades más equilibradas será más propicio para mejorar el rendimiento y la vida útil de la batería de estado sólido.
Por eso es necesario estudiar la estructura mecánica de las baterías de litio de estado sólido.
El proceso de carga y descarga de las baterías de litio de estado sólido va acompañado de cambios en el volumen del cátodo y del ánodo, como el estiramiento y la distorsión de la red en el cátodo y la deposición de litio metálico en el ánodo.
Mecánica correspondiente y fenómenos de transferencia en baterías de litio de estado sólido.
Las baterías de litio líquido se benefician de los electrolitos líquidos. Los cambios en el volumen del cátodo y del ánodo no afectarán la estructura de tensión dentro de la batería. Sin embargo, debido al alto contenido de sólidos en las baterías de litio de estado sólido, los cambios en el volumen del cátodo y el ánodo pueden afectar la estabilidad de la batería de litio de estado sólido.
Si se deposita demasiado litio en un lugar del ánodo, provocaráestrésaumentar.
Si la tensión excede el límite del electrolito sólido, el material se deforma demasiado (es decir,grado de tensión), existirán riesgos como rotura del material y formación de polvo.
Por lo tanto, los cambios en las propiedades mecánicas del material afectarán las propiedades electroquímicas del material, lo que provocará un deterioro del rendimiento de la batería o incluso su falla.
Además del electrolito sólido, los componentes del electrodo (material activo, aglutinante, agente conductor, etc.) y los materiales utilizados también afectarán la estructura mecánica de la batería. Este artículo proporciona un marco que puede utilizarse para estudiar las propiedades mecánicas de estos materiales.
El autor espera que este artículo facilite a los investigadores la comprensión de las posibles causas de las fallas de las baterías de estado sólido, y el artículo también proporciona soluciones a estos problemas. incluir:
Estudiar los mecanismos de alivio de tensión del metal litio en términos de escala de longitud, temperatura y tasa de deformación (densidad de corriente);
Estudiar los mecanismos de alivio de tensiones en cerámicas, vidrios y cerámicas amorfas en función de la escala de longitud, la temperatura y la tasa de deformación;
Discutir la ductilidad de ingeniería de electrolitos cerámicos y de vidrio;
Diseñar un ánodo de litio metálico que no solo pueda eliminar la deposición desigual y la extracción del litio metálico, sino que también alivie la tensión en la interfaz litio-electrolito;
Diseñar un material activo catódico con cero deformación cíclica, resistencia a la fractura o cierta ductilidad;
Diseñar un cátodo compuesto para minimizar la tensión y maximizar el alivio de tensión;
Se realizan modelos detallados para describir la evolución de la tensión y la deformación en baterías de estado sólido, incluidos los efectos de escala de longitud, la fricción, la adhesión y la fluencia.
Entonces, ¿quién completó este trabajo?
Introducción al autor del artículo.
Tesis un actosergiykalnaus, del Laboratorio Nacional Oak Ridge, EE. UU., esDepartamento de Ingeniería y Ciencias Computacionalesinvestigador principal.
Sergiy Kalnaus tiene un doctorado en ingeniería mecánica de la Universidad de Nevada y recibió el Premio a la Contribución Destacada a la Ciencia y la Tecnología del Departamento de Energía de Estados Unidos. También posee cuatro patentes, tres sobre electrolitos y una sobre lechada de electrodos. Ha publicado 34 artículos y ha sido citado 3.195 veces.
Los autores del artículo también incluyenNancy J. Dudney, también del Laboratorio Nacional Oak Ridge, esDepartamento de Ciencias QuímicasAcadémico y líder de grupo.
Nancy J. Dudney estudió química en el College of William and Mary como estudiante universitaria. Después de graduarse, ingresó directamente a la Escuela de Ingeniería Cerámica del Instituto Tecnológico de Massachusetts y completó su doctorado. El Departamento de Energía de EE. UU. le otorgó el título de Inventor Destacado, ganó 13 premios y posee más de 14 patentes. Actualmente investiga nuevos materiales para baterías de coches híbridos.
Los autores del artículo también son deDepartamento de Ciencias QuímicasdeAndrew S. Westover, es científico de materiales en el departamento.
Andrew S. Westover ha publicado numerosos artículos en muchas revistas como "ACS Energy Letters" y "Materials Chemistry".25 artículosArtículos, incluida una de las tres principales revistas de electroquímica.Revista de la Sociedad Electroquímica JES, el número de citaciones llegó a 3292. El objetivo es permitir el almacenamiento de energía de próxima generación, incluidas las baterías de litio de estado sólido.
Los autores del artículo tambiénErik Herbert, del Laboratorio Nacional de Oak RidgeDepartamento de Ciencia y Tecnología de Materiales.
Erik Herbert también es profesor adjunto de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Tecnológica de Michigan y recibió su doctorado en ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Tennessee. Un total de 14 artículos fueron publicados y citados 4288 veces.
El último autor del artículo esSteveHackney, es profesor titular de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Tecnológica de Michigan.
Steve Hackney estudió química en la Universidad James Madison para obtener su título universitario y estudió ciencias de materiales en la Universidad de Virginia para obtener su maestría y doctorado. Sus intereses de investigación incluyen baterías de iones de litio, materiales cerámicos para baterías, películas delgadas de baterías y nanoestructuras.
A partir de la investigación líder en el campo de las baterías de estado sólido, este artículo propone sistemáticamente el marco de la estructura mecánica de las baterías de estado sólido, centrándose enestrésSe han propuesto múltiples soluciones para los mecanismos de generación, prevención y mitigación.
La mayoría de las investigaciones actuales sobre baterías de estado sólido se centran en mejorar la tasa de transporte de iones y la estabilidad electroquímica del electrolito. Este documento cierra esta brecha y también favorece el desarrollo de baterías de estado sólido con mayor densidad de energía, mejor rendimiento, más seguras y estables.