固態(tài)電池突破在即?這一“神秘力量”可大幅提高其性能和壽命

發(fā)布日期:2023-12-12  來源:財(cái)聯(lián)社

核心提示:摘要【固態(tài)電池突破在即?這一神秘力量可大幅提高其性能和壽命】當(dāng)電流流過電池時(shí),電池內(nèi)部的材料會(huì)逐漸磨損。應(yīng)力和應(yīng)變的物理
摘要
【固態(tài)電池突破在即?這一“神秘力量”可大幅提高其性能和壽命】當(dāng)電流流過電池時(shí),電池內(nèi)部的材料會(huì)逐漸磨損。應(yīng)力和應(yīng)變的物理力量也在這個(gè)過程中發(fā)揮作用,但它們對(duì)電池性能和壽命的確切影響目前尚不完全清楚。因此,美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室決定“另辟蹊徑”,開發(fā)了一個(gè)設(shè)計(jì)固態(tài)電池(SSB)的框架,重點(diǎn)考慮到了其中的力學(xué)問題,而非一般研究中的電化學(xué)性質(zhì)。最新研究結(jié)果已于近期發(fā)表在了《科學(xué)》雜志上。
  

  當(dāng)電流流過電池時(shí),電池內(nèi)部的材料會(huì)逐漸磨損。應(yīng)力和應(yīng)變的物理力量也在這個(gè)過程中發(fā)揮作用,但它們對(duì)電池性能和壽命的確切影響目前尚不完全清楚。

  因此,美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory,簡(jiǎn)稱ORNL)決定“另辟蹊徑”,開發(fā)了一個(gè)設(shè)計(jì)固態(tài)電池(SSB)的框架,重點(diǎn)考慮到了其中的力學(xué)問題,而非一般研究中的電化學(xué)性質(zhì)。最新研究結(jié)果已于近期發(fā)表在了《科學(xué)》雜志上。

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  “我們的目標(biāo)是強(qiáng)調(diào)力學(xué)在電池性能中的重要性,”ORNL多物理場(chǎng)建模和流動(dòng)小組的科學(xué)家Sergiy Kalnaus說,“許多研究都集中在化學(xué)或電學(xué)性質(zhì)上,但卻忽視了其潛在的力學(xué)機(jī)制。”

  據(jù)悉,該團(tuán)隊(duì)橫跨ORNL的幾個(gè)研究領(lǐng)域,包括計(jì)算、化學(xué)和材料科學(xué)。他們的綜述通過使用科學(xué)領(lǐng)域的觀點(diǎn),對(duì)影響SSB的條件描繪了一幅更具凝聚力的畫面。

  固體電解質(zhì)

  在電池中,帶電粒子會(huì)流過被稱為電解質(zhì)的材料。這些電解質(zhì)大多數(shù)是液體,比如電動(dòng)汽車中的鋰離子電池,但固體電解質(zhì)也在開發(fā)中。這些導(dǎo)體通常由玻璃或陶瓷制成,可以提供諸如增強(qiáng)安全性和強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。

  “真正的固態(tài)電池內(nèi)部沒有易燃液體,”Kalnaus說:“這意味著它們比目前常用的電池危險(xiǎn)更小。”

  發(fā)展固態(tài)電池的挑戰(zhàn)

  然而,由于與這些新材料相關(guān)的挑戰(zhàn),固體電解質(zhì)仍處于發(fā)展的早期階段。

  具體而言,SSB組件在電荷和質(zhì)量傳輸過程中膨脹和收縮,從而會(huì)改變整體系統(tǒng)。電極在電池運(yùn)行過程中不斷變形,在與固體電解質(zhì)的界面上產(chǎn)生分層和空隙,在當(dāng)今的系統(tǒng)中,最好的解決方案是施加大量壓力,使一切保持在一起。

  然而,這些尺寸變化會(huì)損壞由脆性材料制成的固體電解質(zhì),它們經(jīng)常因應(yīng)力和壓力而斷裂。使這些材料更具延展性,將使它們能夠通過流動(dòng)而不是破裂來承受應(yīng)力。這種行為可以通過將小的晶體缺陷引入陶瓷電解質(zhì)的一些技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

  未來構(gòu)思

  據(jù)了解,電子通過陽(yáng)極離開系統(tǒng)。在SSB中,該組件可以由純鋰制成,純鋰是能量密度最高的金屬,盡管這種材料為電池的功率提供了優(yōu)勢(shì),但它也會(huì)產(chǎn)生壓力,從而損壞電解質(zhì)。

  “在充電過程中,鍍層不均勻和缺乏應(yīng)力消除機(jī)制會(huì)造成應(yīng)力集中。”ORNL機(jī)械性能和力學(xué)小組的負(fù)責(zé)人Erik Herbert說:“為了優(yōu)化SSB的性能和壽命,我們需要設(shè)計(jì)下一代陽(yáng)極和固體電解質(zhì),以保持機(jī)械穩(wěn)定的界面,而不會(huì)破壞固體電解質(zhì)隔膜。”

  事實(shí)上,該團(tuán)隊(duì)的工作是ORNL研究SSB材料的悠久歷史的一部分。在20世紀(jì)90年代初,一種被稱為氧化磷鋰(LiPON)的玻璃狀電解質(zhì)在實(shí)驗(yàn)室被開發(fā)出來。

  LiPON已被廣泛用作具有金屬鋰陽(yáng)極的薄膜電池的電解質(zhì)。該組件可以承受許多充放電循環(huán)而不會(huì)失效,主要是由于LiPON的延展性。當(dāng)遇到機(jī)械應(yīng)力時(shí),它會(huì)流動(dòng)而不是開裂。

  研究人員說,“近年來,我們了解到LiPON具有強(qiáng)大的機(jī)械性能,以補(bǔ)充其化學(xué)和電化學(xué)耐久性。在我們的論文中,我們概述了固態(tài)電解質(zhì)材料的力學(xué),鼓勵(lì)科學(xué)家在設(shè)計(jì)新電池時(shí)考慮這些。”

 
 
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