曹原 發(fā)自 副駕寺,智能車參考 | 公眾號 AI4Auto
以往對于固態(tài)電池的研究,很可能太片面了。
發(fā)表在最新一期Science上的一篇綜述,提出了這個觀點。

因為想要實現(xiàn)高性能、高循環(huán)壽命的固態(tài)電池,現(xiàn)在的大多數(shù)研究都致力于提升固態(tài)電池的電化學性質(zhì)。
實際上,固態(tài)電池的力學結(jié)構(gòu)也需要考慮在內(nèi)。
為什么要研究力學結(jié)構(gòu)?要怎么了解不同材料下固態(tài)電池的力學結(jié)構(gòu)?
因為力學結(jié)構(gòu)導致固態(tài)電池失效,又有什么對應的解決辦法?
來自美國橡樹嶺國家實驗室和密歇根理工大學的五位作者,詳細解答了這些問題。
既然需要關注固態(tài)電池的力學結(jié)構(gòu),那么如何評估和設計呢?
論文提供了一個理解和設計力學結(jié)構(gòu)可靠的固態(tài)電池的框架。
該框架包括三個方面:
1、識別和理解該固態(tài)電池中局部應變的來源;
2、了解這種應力,特別是在電池界面處,以及電池材料對這些應力的響應;
3、設計具有所需應力和應變演變的電池材料和電池單元。
其中,應力是材料受到的外力大小,應變是指材料在受到外力時的形變程度。
以固態(tài)電解質(zhì)為例,眾所周知,固態(tài)鋰電池比液態(tài)鋰電池更安全的關鍵因素是,固態(tài)電池中的固態(tài)電解質(zhì)可以有效抑制鋰枝晶的生長。
而不同的固態(tài)電解質(zhì)材料對鋰枝晶抑制效果也存在不同,評估抑制效果好壞的一個標準就是該材料的應力和應變。
如果這種固態(tài)電解質(zhì)即使受到很大的應力,也不易發(fā)生彈性形變,比如氧化物電解質(zhì),這意味著這種固態(tài)電解質(zhì)材料能有效抑制鋰枝晶生長;但同時,氧化物電解質(zhì)的硬度和剛度很高,更有可能發(fā)生斷裂等情況,影響固態(tài)電池的性能。
所以,在選擇固態(tài)電解質(zhì)時選擇各項性能更平衡的材料,更有利于提高固態(tài)電池的性能和使用壽命。
這也是為什么需要研究固態(tài)鋰電池的力學結(jié)構(gòu)。
固態(tài)鋰電池的充放電過程伴隨著陰陽極體積的變化,比如陰極中的晶格拉伸和扭曲以及陽極中的金屬鋰沉積。

△固態(tài)鋰電池中對應的力學和傳遞現(xiàn)象
而液態(tài)鋰電池得益于液態(tài)電解質(zhì),陰陽極體積變化不會影響電池內(nèi)部的受力結(jié)構(gòu),但因為固態(tài)鋰電池中固態(tài)含量較高,陰陽極體積的改變可能會影響固態(tài)鋰電池的穩(wěn)定性。
假如陽極某一處鋰沉積過多,會導致該處的應力增大。
假如應力超過了固態(tài)電解質(zhì)承受的極限,材料形變過大(也就是應變程度),會有材料斷裂、粉化等風險。
所以,材料的力學性質(zhì)的變化會影響材料的電化學性質(zhì),進而導致電池性能惡化甚至失效。
除了固態(tài)電解質(zhì),電極的組成成分(活性物質(zhì)、粘結(jié)劑、導電劑等),所使用的材料也會影響到電池的力學結(jié)構(gòu),這篇論文提供的框架可以用來研究這些材料的力學特性。
作者希望通過這篇論文能更方便研究人員理解固態(tài)電池發(fā)生故障的潛在原因,同時論文也給出了這些問題的解決方案。包括:
根據(jù)長度尺度、溫度和應變速率(電流密度)來研究鋰金屬的應力緩解機制;
根據(jù)長度尺度、溫度和應變速率來研究陶瓷、玻璃和非晶陶瓷的應力緩解機制;
討論陶瓷、玻璃電解質(zhì)的工程延展性;
設計一種鋰金屬陽極,既能消除鋰金屬的不均勻沉積和剝離,也能緩解鋰-電解質(zhì)界面的應力;
設計一種陰極活性材料,具有零循環(huán)應變、抗斷裂的特點,或者具有一定的延展性;
設計一種復合陰極,實現(xiàn)應變最小化、應力釋放最大化;
進行詳細建模,以描述固態(tài)電池中應力和應變的演變,包括長度尺度效應(length-scale effects)、摩擦(friction)、粘附(adhesion)和蠕變(creep)。
那么,又是誰完成了這篇論文?
論文一作為Sergiy Kalnaus,來自美國橡樹嶺國家實驗室,是計算科學與工程部的高級研究員。
Sergiy Kalnaus擁有內(nèi)華達大學機械工程博士學位,曾獲得美國能源部頒發(fā)的科學技術(shù)杰出貢獻獎。另外還擁有四項專利,其中三項關于電解質(zhì),一項關于電極漿料,發(fā)表過34篇論文,被引次數(shù)為3195次。
論文作者還包括Nancy J. Dudney,同樣來自橡樹嶺國家實驗室,是化學科學部院士及小組組長。
Nancy J. Dudney本科就讀于威廉瑪麗學院化學專業(yè),畢業(yè)后直接升入麻省理工學院陶瓷工程學院,并完成博士學位。曾獲得美國能源部頒發(fā)的杰出發(fā)明家稱號,獲得大大小小超13個獎項,擁有超過14項專利,目前正在研究混合動力汽車電池的新型材料。
論文作者還有同樣來自化學科學部的Andrew S. Westover,是該部門的材料科學家。
Andrew S. Westover已經(jīng)在《ACS能源快報》、《材料化學》等多個期刊上發(fā)表超25篇論文,其中還包括電化學三大頂刊之一電化學學會雜志JES,被引次數(shù)達到3292次。目標是實現(xiàn)下一代能源存儲,包括固態(tài)鋰電池。
論文的作者還有Erik Herbert,來自橡樹嶺國家實驗室材料科學與技術(shù)部。
Erik Herbert同時還是密歇根理工大學,材料科學與工程專業(yè)的兼職教授,在田納西大學取得材料科學與工程的博士學位。一共發(fā)表14篇論文,被引次數(shù)達到4288次。
論文的最后一位作者是Steve Hackney,是密歇根理工大學的材料科學與工程專業(yè)的全職教授。
Steve Hackney本科就讀于詹姆斯麥迪遜大學化學專業(yè),碩士和博士均就讀于弗吉尼亞大學材料科學專業(yè),研究方向包括鋰離子電池、陶瓷電池材料、電池薄膜和納米結(jié)構(gòu)等。
本文從固態(tài)電池領域的領先研究出發(fā),系統(tǒng)地提出了固態(tài)電池的力學結(jié)構(gòu)框架,重點關注應力的產(chǎn)生、預防和緩解機制,提出了多個解決方案。
當下大多數(shù)固態(tài)電池研究都致力于改善電解質(zhì)的離子傳輸速率和電化學穩(wěn)定性,這篇論文則彌補了這一差距,也有利于開發(fā)能量密度更高、性能更優(yōu)、更安全穩(wěn)定的固態(tài)電池。
參考鏈接
[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg5998
[2]https://wulixb.iphy.ac.cn/article/id/79257274-6b4a-4976-887f-c28178f88d30
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