Sergiy Kalnaus, et al. Bateries d'estat sòlid: el paper crític de la mecànica. Ciència. 381, 1300 (2023).
Les bateries d'estat sòlid amb ànodes de metall de liti tenen el potencial d'augmentar la densitat d'energia, una vida útil més llarga, una temperatura de funcionament més àmplia i una major seguretat. Tot i que la major part de la investigació s'ha centrat a millorar la cinètica de transport i l'estabilitat electroquímica dels materials i les interfícies, també hi ha reptes crítics que requereixen investigar la mecànica dels materials. A les bateries amb interfícies sòlid-sòlid, els contactes mecànics i el desenvolupament de tensions durant el funcionament de les bateries d'estat sòlid, esdevenen tan crítics com l'estabilitat electroquímica per mantenir la transferència de càrrega constant a aquestes interfícies. Aquesta revisió se centrarà en l'estrès i la tensió que resulten del cicle normal i prolongat de la bateria i els mecanismes associats per alleujar l'estrès, alguns dels quals condueixen a la fallada d'aquestes bateries.
ANTECEDENTS
Les bateries d'estat sòlid (SSB) tenen avantatges potencials importants respecte a les bateries d'ió de liti tradicionals que s'utilitzen en telèfons i vehicles elèctrics quotidians. Entre aquests avantatges potencials hi ha una major densitat d'energia i una càrrega més ràpida. Un separador d'electròlits sòlids també pot proporcionar una vida útil més llarga, una temperatura de funcionament més àmplia i una major seguretat a causa de l'absència de dissolvents orgànics inflamables. Un dels aspectes crítics dels SSB és la resposta a l'estrès de la seva microestructura als canvis dimensionals (deformacions) impulsats pel transport de masses. Les soques compositives de les partícules de càtode també es produeixen a les bateries d'electròlits líquids, però en els SSB aquestes soques provoquen problemes de mecànica de contacte entre les partícules d'elèctrode en expansió o contracció i l'electròlit sòlid. Al costat de l'ànode, el revestiment de metall de liti crea el seu propi estat d'estrès complex a la interfície amb l'electròlit sòlid. Una característica crítica dels SSB és que aquest revestiment es pot produir no només a la interfície elèctrode-electròlit, sinó dins del propi electròlit sòlid, dins dels seus porus o al llarg dels límits del gra. Aquesta deposició de liti tan confinada crea zones amb un alt estrès hidrostàtic capaços d'iniciar fractures a l'electròlit. Tot i que la majoria de fallades en els SSB són provocades per la mecànica, la major part de la investigació s'ha dedicat a millorar el transport d'ions i l'estabilitat electroquímica dels electròlits. Com a intent de salvar aquesta bretxa, en aquesta revisió presentem un marc de mecànica per a SSB i examinem les principals investigacions en el camp, centrant-nos en els mecanismes pels quals es genera, prevé i alleuja l'estrès.
AVANCES
L'empenta cap als recursos renovables requereix el desenvolupament de bateries de nova generació amb densitats energètiques més del doble que les actuals i que es puguin carregar en 5 minuts o menys. Això ha donat lloc a una cursa per desenvolupar electròlits que poden facilitar la càrrega ràpida de 5-min i permetre els ànodes de metall Li, la clau de l'alta energia. El descobriment d'electròlits sòlids que tenen una alta estabilitat electroquímica amb metall Li i electròlits sòlids de sulfur amb conductivitats iòniques superiors a les de qualsevol electròlit líquid ha estimulat un canvi de la comunitat investigadora cap als SSB. Tot i que aquests descobriments han sembrat la promesa que els SSB poden permetre la visió de la càrrega ràpida i una duplicació de la densitat d'energia, la realització d'aquesta promesa només és factible si s'entén a fons el comportament mecànic dels materials de les bateries i s'integra la mecànica multiescala en el desenvolupament dels SSB. .
PERSPECTIVA
S'han d'abordar diversos reptes clau, incloent (i) el revestiment de liti no uniforme sobre una superfície d'electròlit sòlid i la deposició de metall de liti dins de l'electròlit sòlid; (ii) pèrdua de contacte interfacial dins de la cèl·lula com a resultat dels canvis de volum associats amb el cicle electroquímic que es produeix als contactes dels elèctrodes i també als límits del gra; i (iii) processos de fabricació per formar SSB amb un electròlit sòlid molt prim i un mínim de components inactius, inclosos aglutinants i suports estructurals. La mecànica és un denominador comú que connecta aquests problemes. La deposició de liti metàl·lic a la superfície i els defectes de volum d'un electròlit sòlid de ceràmica produeixen tensions locals elevades que poden provocar una fractura de l'electròlit amb una propagació addicional del liti metàl·lic a les esquerdes. En la fabricació, com a requisit mínim, les piles de càtode-electròlit haurien de tenir prou força per suportar les forces aplicades per l'equip. Una millor comprensió de la mecànica dels materials SSB es transferirà al desenvolupament d'electròlits sòlids, càtodes, ànodes i arquitectures de cèl·lules, així com paquets de bateries dissenyats per gestionar les tensions de la fabricació i el funcionament de la bateria.
Figura 1 Diagrama esquemàtic de bateries d'estat sòlid de liti metall, mecànica i fenòmens de transport.
Figura 2 Escala de longitud i mecànica depenent de la velocitat del metall de liti.
Figura 3 La plasticitat es desencadena per la densificació i el flux de cisalla en materials amorfs i s'endureix per la introducció de dislocacions en ceràmica cristal·lina, evitant així la fractura.
Figura 4 Recuperació de la deformació a LiPON, donant lloc a un comportament semblant a la histèresi durant la càrrega cíclica de la nanoindentació.
Figura 5 Danys per fatiga del càtode sòlid compost.
Figura 6 Diagrama esquemàtic de la propagació del liti a través de l'electròlit sòlid.
