سيرجي كالناوس، وآخرون. بطاريات الحالة الصلبة: الدور الحاسم للميكانيكا. علوم. 381، 1300 (2023).
تتمتع بطاريات الحالة الصلبة المزودة بأنودات معدن الليثيوم بإمكانية زيادة كثافة الطاقة وعمر أطول ودرجة حرارة تشغيل أوسع وزيادة السلامة. على الرغم من أن الجزء الأكبر من البحث ركز على تحسين حركية النقل والاستقرار الكهروكيميائي للمواد والواجهات، إلا أن هناك أيضًا تحديات حاسمة تتطلب دراسة ميكانيكا المواد. في البطاريات ذات الأسطح البينية الصلبة والصلبة، تصبح الاتصالات الميكانيكية وتطور الضغوط أثناء تشغيل بطاريات الحالة الصلبة، أمرًا بالغ الأهمية مثل الاستقرار الكهروكيميائي للحفاظ على نقل ثابت للشحنة في هذه الواجهات. ستركز هذه المراجعة على الإجهاد والتوتر الناتج عن دورة البطارية العادية والممتدة والآليات المرتبطة بها لتخفيف الضغط، والتي يؤدي بعضها إلى فشل هذه البطاريات.
خلفية
تتمتع بطاريات الحالة الصلبة (SSBs) بمزايا محتملة مهمة مقارنة ببطاريات Li-ion التقليدية المستخدمة في الهواتف اليومية والمركبات الكهربائية. ومن بين هذه المزايا المحتملة كثافة طاقة أعلى وشحن أسرع. قد يوفر فاصل الإلكتروليت الصلب أيضًا عمرًا أطول ودرجة حرارة تشغيل أوسع وزيادة الأمان بسبب عدم وجود مذيبات عضوية قابلة للاشتعال. أحد الجوانب المهمة لـ SSBs هو استجابة الإجهاد في بنيتها المجهرية للتغيرات الأبعاد (السلالات) التي يقودها النقل الجماعي. تحدث السلالات التركيبية في جسيمات الكاثود في بطاريات الإلكتروليت السائلة أيضًا، ولكن في SSBs تؤدي هذه السلالات إلى مشاكل في ميكانيكا الاتصال بين جزيئات الإلكترود المتوسعة أو المتقلصة والإلكتروليت الصلب. على جانب الأنود، يخلق طلاء معدن الليثيوم حالة إجهاد معقدة خاصة به عند التفاعل مع المنحل بالكهرباء الصلب. من السمات المهمة لـ SSBs أن مثل هذا الطلاء يمكن أن يحدث ليس فقط عند السطح البيني بين القطب والكهارل، ولكن داخل المنحل بالكهرباء الصلب نفسه، أو داخل مسامه، أو على طول حدود الحبوب. يؤدي ترسيب الليثيوم المحصور هذا إلى إنشاء مناطق ذات إجهاد هيدروستاتيكي عالي قادر على إحداث كسور في المنحل بالكهرباء. على الرغم من أن غالبية حالات الفشل في SSBs تكون مدفوعة بالميكانيكا، فقد تم تخصيص معظم الأبحاث لتحسين نقل الأيونات والاستقرار الكهروكيميائي للشوارد. كمحاولة لسد هذه الفجوة، نقدم في هذه المراجعة إطارًا ميكانيكيًا لـ SSBs ونفحص الأبحاث الرائدة في هذا المجال، مع التركيز على الآليات التي يتم من خلالها توليد الإجهاد ومنعه وتخفيفه.
التقدم
يتطلب التوجه نحو الموارد المتجددة تطوير بطاريات من الجيل التالي ذات كثافة طاقة تزيد عن ضعف البطاريات الحالية ويمكن شحنها خلال 5 دقائق أو أقل. وقد أدى هذا إلى سباق لتطوير إلكتروليتات يمكنها تسهيل الشحن السريع 5-دقيقة وتمكين أنودات معدن Li - مفتاح الطاقة العالية. إن اكتشاف الشوارد الصلبة التي تتمتع بثبات كهروكيميائي عالي مع شوارد الليثيوم الصلبة والكبريتيد ذات الموصلية الأيونية الأكبر من تلك الموجودة في أي إلكتروليت سائل قد أدى إلى تحول في مجتمع البحث نحو SSBs. على الرغم من أن هذه الاكتشافات قد زرعت بذور الوعد بأن SSBs يمكن أن تتيح رؤية الشحن السريع ومضاعفة كثافة الطاقة، فإن تحقيق هذا الوعد لن يكون ممكنًا إلا إذا تم فهم السلوك الميكانيكي لمواد البطارية تمامًا وتم دمج الميكانيكا متعددة النطاق في تطوير SSBs. .
الآفاق
يجب معالجة العديد من التحديات الرئيسية، بما في ذلك (ط) طلاء الليثيوم غير المنتظم على سطح إلكتروليت صلب وترسب معدن الليثيوم داخل إلكتروليت صلب؛ (2) فقدان الاتصال البيني داخل الخلية نتيجة لتغيرات الحجم المرتبطة بالتدوير الكهروكيميائي الذي يحدث عند ملامسات الأقطاب الكهربائية وأيضًا عند حدود الحبوب؛ و(3) عمليات التصنيع لتكوين ألواح SSBs باستخدام إلكتروليت صلب رفيع للغاية وحد أدنى من المكونات غير النشطة، بما في ذلك المواد الرابطة والدعامات الهيكلية. الميكانيكا هي القاسم المشترك الذي يربط بين هذه المشاكل. يؤدي ترسب الليثيوم المعدني في عيوب السطح والحجم للإلكتروليت الصلب الخزفي إلى ضغوط محلية عالية يمكن أن تؤدي إلى كسر الإلكتروليت مع زيادة انتشار الليثيوم المعدني في الشقوق. في التصنيع، وكحد أدنى من المتطلبات، يجب أن تمتلك مداخن الكاثود والكهارل قوة كافية لتحمل القوى التي تطبقها المعدات. إن الفهم الأفضل لميكانيكا مواد SSB سوف ينتقل إلى تطوير الشوارد الصلبة والكاثودات والأنودات وهندسة الخلايا، بالإضافة إلى حزم البطاريات المصممة لإدارة ضغوط تصنيع البطاريات وتشغيلها.
الشكل 1: رسم تخطيطي لبطاريات الحالة الصلبة من معدن الليثيوم والميكانيكا وظواهر النقل.
الشكل 2: مقياس الطول والميكانيكا المعتمدة على معدل معدن الليثيوم.
الشكل 3: يتم تحفيز اللدونة عن طريق التكثيف وتدفق القص في المواد غير المتبلورة ويتم تشديدها عن طريق إدخال الاضطرابات في السيراميك البلوري، وبالتالي تجنب الكسر.
الشكل 4: استعادة التشوه في LiPON، مما يؤدي إلى سلوك يشبه التباطؤ أثناء التحميل الدوري للـ nanoindentation.
الشكل 5: تلف التعب للكاثود الصلب المركب.
الشكل 6: رسم تخطيطي لانتشار الليثيوم من خلال المنحل بالكهرباء الصلب.
