Sergiy Kalnaus và cộng sự. Pin thể rắn: Vai trò quan trọng của cơ học. Khoa học. 381, 1300 (2023).
Pin thể rắn với cực dương kim loại lithium có tiềm năng mang lại mật độ năng lượng cao hơn, tuổi thọ dài hơn, nhiệt độ hoạt động rộng hơn và tăng độ an toàn. Mặc dù phần lớn nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện động học vận chuyển và độ ổn định điện hóa của vật liệu và bề mặt tiếp xúc, nhưng cũng có những thách thức nghiêm trọng đòi hỏi phải nghiên cứu cơ học của vật liệu. Trong pin có bề mặt tiếp xúc rắn-rắn, các tiếp điểm cơ học và sự phát triển ứng suất trong quá trình hoạt động của pin thể rắn cũng trở nên quan trọng như độ ổn định điện hóa để duy trì quá trình truyền điện tích ổn định tại các bề mặt này. Đánh giá này sẽ tập trung vào căng thẳng và căng thẳng do chu trình sử dụng pin bình thường và kéo dài cũng như các cơ chế liên quan để giảm căng thẳng, một số nguyên nhân dẫn đến hỏng các loại pin này.
LÝ LỊCH
Pin thể rắn (SSB) có những lợi thế tiềm năng quan trọng so với pin Li-ion truyền thống được sử dụng trong điện thoại hàng ngày và xe điện. Trong số những lợi thế tiềm năng này là mật độ năng lượng cao hơn và sạc nhanh hơn. Máy tách chất điện phân rắn cũng có thể mang lại tuổi thọ dài hơn, nhiệt độ hoạt động rộng hơn và tăng độ an toàn do không có dung môi hữu cơ dễ cháy. Một trong những khía cạnh quan trọng của SSB là phản ứng ứng suất của cấu trúc vi mô của chúng đối với những thay đổi về chiều (biến dạng) do vận chuyển khối lượng gây ra. Các biến dạng thành phần trong các hạt âm cực cũng xảy ra trong pin điện phân lỏng, nhưng trong SSB, các biến dạng này dẫn đến các vấn đề cơ học về tiếp xúc giữa các hạt điện cực giãn nở hoặc co lại với chất điện phân rắn. Về phía cực dương, lớp mạ kim loại lithium tạo ra trạng thái ứng suất phức tạp của riêng nó tại bề mặt tiếp xúc với chất điện phân rắn. Một đặc điểm quan trọng của SSB là lớp mạ như vậy có thể xảy ra không chỉ ở bề mặt điện cực-điện phân mà còn trong chính chất điện phân rắn, bên trong các lỗ của nó hoặc dọc theo ranh giới hạt. Sự lắng đọng lithium hạn chế như vậy tạo ra các khu vực có ứng suất thủy tĩnh cao có khả năng gây ra các vết nứt trong chất điện phân. Mặc dù phần lớn các hư hỏng trong SSB là do cơ học, nhưng hầu hết nghiên cứu đều tập trung vào việc cải thiện sự vận chuyển ion và độ ổn định điện hóa của chất điện phân. Với nỗ lực thu hẹp khoảng cách này, trong bài đánh giá này, chúng tôi trình bày khuôn khổ cơ học cho SSB và xem xét nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực này, tập trung vào các cơ chế tạo ra, ngăn chặn và giảm bớt căng thẳng.
NHỮNG TIẾN BỘ
Việc thúc đẩy các nguồn tài nguyên tái tạo đòi hỏi phải phát triển pin thế hệ tiếp theo với mật độ năng lượng cao hơn gấp đôi so với pin hiện tại và có thể sạc trong 5 phút hoặc ít hơn. Điều này đã dẫn đến một cuộc chạy đua nhằm phát triển các chất điện phân có thể vừa tạo điều kiện cho việc sạc nhanh 5-phút vừa tạo ra cực dương kim loại Li—chìa khóa cho năng lượng cao. Việc phát hiện ra các chất điện phân rắn có độ ổn định điện hóa cao với kim loại Li và chất điện phân rắn sunfua có độ dẫn ion lớn hơn bất kỳ chất điện phân lỏng nào đã thúc đẩy sự thay đổi trong cộng đồng nghiên cứu đối với SSB. Mặc dù những khám phá này đã gieo mầm cho lời hứa rằng SSB có thể tạo điều kiện cho tầm nhìn về sạc nhanh và tăng gấp đôi mật độ năng lượng, nhưng việc thực hiện lời hứa này chỉ khả thi nếu hiểu rõ về hành vi cơ học của vật liệu pin và cơ học đa cấp được tích hợp trong quá trình phát triển SSB. .
QUAN ĐIỂM
Một số thách thức chính phải được giải quyết, bao gồm (i) lớp mạ lithium không đồng nhất trên bề mặt chất điện phân rắn và sự lắng đọng kim loại lithium trong chất điện phân rắn; (ii) mất tiếp xúc bề mặt trong tế bào do sự thay đổi thể tích liên quan đến chu trình điện hóa xảy ra ở các điểm tiếp xúc điện cực và cả ở ranh giới hạt; và (iii) các quy trình sản xuất để tạo thành SSB với chất điện phân rắn rất mỏng và tối thiểu các thành phần không hoạt động, bao gồm chất kết dính và cấu trúc hỗ trợ. Cơ học là mẫu số chung kết nối những vấn đề này. Sự lắng đọng của lithium kim loại vào các khuyết tật bề mặt và thể tích của chất điện phân rắn gốm dẫn đến ứng suất cao cục bộ có thể dẫn đến đứt gãy chất điện phân khi lithium kim loại tiếp tục lan truyền vào các vết nứt. Trong sản xuất, yêu cầu tối thiểu là các ngăn cathode-điện phân phải có đủ độ bền để chịu được lực tác dụng của thiết bị. Sự hiểu biết tốt hơn về cơ học của vật liệu SSB sẽ chuyển sang phát triển các chất điện phân rắn, cực âm, cực dương và cấu trúc tế bào, cũng như các bộ pin được thiết kế để quản lý áp lực trong quá trình sản xuất và vận hành pin.
Hình 1 Sơ đồ của pin thể rắn kim loại lithium, hiện tượng cơ học và vận chuyển.
Hình 2 Thang đo chiều dài và cơ học phụ thuộc tốc độ của kim loại lithium.
Hình 3 Độ dẻo được kích hoạt bởi sự cô đặc và dòng chảy cắt trong vật liệu vô định hình và được làm cứng bằng cách đưa ra các sai lệch trong gốm tinh thể, do đó tránh được gãy xương.
Hình 4 Sự phục hồi biến dạng trong LiPON, dẫn đến hiện tượng giống như hiện tượng trễ trong quá trình nạp vết lõm nano theo chu kỳ.
Hình 5 Thiệt hại do mỏi của cực âm rắn tổng hợp.
Hình 6 Sơ đồ truyền lithium qua chất điện phân rắn.
