科学家阐明固态电池的力学原理

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当电流流过电池时,其材料会随着时间的推移而被腐蚀。应力和应变等机械影响会影响这一轨迹,尽管它们对电池功效和寿命的影响尚未完全了解。

由能源部橡树岭国家实验室的研究人员领导的团队开发了一个设计固态电池(SSB)的框架,并考虑到了力学原理。他们发表在《科学》杂志上的论文回顾了这些因素在骑行过程中如何改变 SSB。

“我们的目标是强调力学在电池性能中的重要性,”ORNL 多物理场建模和流动小组的科学家 Sergiy Kalnaus 说。 “许多研究都集中在化学或电学性质上,但忽略了揭示潜在的机制。”

该团队跨越橡树岭国家实验室的多个研究领域,包括计算、化学和材料科学。他们的综述通过跨科学领域的视角,对影响 SSB 的条件描绘了一幅更有凝聚力的图景。 “我们正在努力弥合学科之间的鸿沟,”卡尔瑙斯说。

在电池中,带电粒子流过称为电解质的材料。大多数是液体,就像电动汽车中的锂离子电池一样,但固体电解质也在开发中。这些导体通常由玻璃或陶瓷制成,具有增强安全性和强度等优点。

“真正的固态电池内部不含易燃液体,”卡尔瑙斯说。 “这意味着它们比当今常用的电池危险性更小。”

然而,由于与这些新型材料相关的挑战,固体电解质仍处于开发的早期阶段。 SSB 组件在充电和质量传输过程中会膨胀和收缩,从而改变系统。 “电极在电池运行过程中不断变形,在与固体电解质的界面处产生分层和空隙,”卡尔瑙斯说。 “在当今的系统中,最好的解决方案是施加很大的压力以将所有内容保持在一起。”

这些尺寸变化会损坏由脆性材料制成的固体电解质。它们经常因应变和压力而破裂。使这些材料更具延展性将使它们能够通过流动而不是破裂来承受压力。这种行为可以通过一些将小晶体缺陷引入陶瓷电解质的技术来实现。

电子通过阳极离开系统。在SSB中,该组件可以由纯锂制成,它是能量密度最高的金属。尽管这种材料为电池的电力提供了优势,但它也会产生可能损坏电解质的压力。

“在充电过程中,电镀不均匀和缺乏应力消除机制会产生应力集中。它们可以承受很大的压力,从而使锂金属能够流动。”ORNL 机械性能和力学小组的负责人 Erik Herbert 说道。 “为了优化 SSB 的性能和寿命,我们需要设计下一代阳极和固体电解质,使其能够保持机械稳定的界面,而不会使固体电解质隔膜破裂。”

该团队的工作是橡树岭国家实验室悠久的单边带材料研究历史的一部分。 20 世纪 90 年代初,实验室开发出了一种名为锂磷氮氧化物 (LiPON) 的玻璃状电解质。 LiPON 已广泛用作具有金属锂阳极的薄膜电池中的电解质。该组件可以承受多次充放电循环而不会出现故障,这主要归功于 LiPON 的延展性。当遇到机械应力时,它会流动而不是破裂。

“近年来,我们了解到 LiPON 具有强大的机械性能,可以补充其化学和电化学耐久性,”带领该材料开发团队的 ORNL 科学家 Nancy Dudney 说道。

该团队的努力凸显了 SSB 的一个尚未得到充分研究的方面——了解影响其寿命和功效的因素。 “研究界需要一个路线图,”卡尔瑙斯说。 “在我们的论文中,我们概述了固态电解质的材料力学,鼓励科学家在设计新电池时考虑这些。”

德克萨斯大学巴特尔分校为能源部科学办公室管理橡树岭国家实验室。作为美国物理科学研究的最大支持者,科学办公室正在努力解决当今时代一些最紧迫的挑战。欲了解更多信息,请访问 energy.gov/science。 — 里斯·布朗

文章由橡树岭国家实验室提供。

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来源:清洁技术

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