Science：固態(tài)電池未決，研究材料力學！

一凡 2023-09-28 22:18:22 來源：量子位

曹原 發(fā)自 副駕寺

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以往對于固態(tài)電池的研究，很可能太片面了。

發(fā)表在最新一期Science上的一篇綜述，提出了這個觀點。

因為想要實現(xiàn)高性能、高循環(huán)壽命的固態(tài)電池，現(xiàn)在的大多數(shù)研究都致力于提升固態(tài)電池的電化學性質(zhì)。

實際上，固態(tài)電池的力學結構也需要考慮在內(nèi)。

為什么要研究力學結構？要怎么了解不同材料下固態(tài)電池的力學結構？

因為力學結構導致固態(tài)電池失效，又有什么對應的解決辦法？

來自美國橡樹嶺國家實驗室和密歇根理工大學的五位作者，詳細解答了這些問題。

固態(tài)電池中力學的關鍵作用

既然需要關注固態(tài)電池的力學結構，那么如何評估和設計呢？

論文提供了一個理解和設計力學結構可靠的固態(tài)電池的框架。

該框架包括三個方面：

1、識別和理解該固態(tài)電池中局部應變的來源；
2、了解這種應力，特別是在電池界面處，以及電池材料對這些應力的響應；
3、設計具有所需應力和應變演變的電池材料和電池單元。

其中，應力是材料受到的外力大小，應變是指材料在受到外力時的形變程度。

以固態(tài)電解質(zhì)為例，眾所周知，固態(tài)鋰電池比液態(tài)鋰電池更安全的關鍵因素是，固態(tài)電池中的固態(tài)電解質(zhì)可以有效抑制鋰枝晶的生長。

△鋰枝晶

而不同的固態(tài)電解質(zhì)材料對鋰枝晶抑制效果也存在不同，評估抑制效果好壞的一個標準就是該材料的應力和應變。

如果這種固態(tài)電解質(zhì)即使受到很大的應力，也不易發(fā)生彈性形變，比如氧化物電解質(zhì)，這意味著這種固態(tài)電解質(zhì)材料能有效抑制鋰枝晶生長；但同時，氧化物電解質(zhì)的硬度和剛度很高，更有可能發(fā)生斷裂等情況，影響固態(tài)電池的性能。

△應力-應變的關系曲線，來源參考論文2

所以，在選擇固態(tài)電解質(zhì)時選擇各項性能更平衡的材料，更有利于提高固態(tài)電池的性能和使用壽命。

這也是為什么需要研究固態(tài)鋰電池的力學結構。

固態(tài)鋰電池的充放電過程伴隨著陰陽極體積的變化，比如陰極中的晶格拉伸和扭曲以及陽極中的金屬鋰沉積。

△固態(tài)鋰電池中對應的力學和傳遞現(xiàn)象

而液態(tài)鋰電池得益于液態(tài)電解質(zhì)，陰陽極體積變化不會影響電池內(nèi)部的受力結構，但因為固態(tài)鋰電池中固態(tài)含量較高，陰陽極體積的改變可能會影響固態(tài)鋰電池的穩(wěn)定性。

假如陽極某一處鋰沉積過多，會導致該處的應力增大。

假如應力超過了固態(tài)電解質(zhì)承受的極限，材料形變過大（也就是應變程度），會有材料斷裂、粉化等風險。

所以，材料的力學性質(zhì)的變化會影響材料的電化學性質(zhì)，進而導致電池性能惡化甚至失效。

除了固態(tài)電解質(zhì)，電極的組成成分（活性物質(zhì)、粘結劑、導電劑等），所使用的材料也會影響到電池的力學結構，這篇論文提供的框架可以用來研究這些材料的力學特性。

作者希望通過這篇論文能更方便研究人員理解固態(tài)電池發(fā)生故障的潛在原因，同時論文也給出了這些問題的解決方案。包括：

1. 根據(jù)長度尺度、溫度和應變速率（電流密度）來研究鋰金屬的應力緩解機制；
2. 根據(jù)長度尺度、溫度和應變速率來研究陶瓷、玻璃和非晶陶瓷的應力緩解機制；
3. 討論陶瓷、玻璃電解質(zhì)的工程延展性；
4. 設計一種鋰金屬陽極，既能消除鋰金屬的不均勻沉積和剝離，也能緩解鋰-電解質(zhì)界面的應力；
5. 設計一種陰極活性材料，具有零循環(huán)應變、抗斷裂的特點，或者具有一定的延展性；
6. 設計一種復合陰極，實現(xiàn)應變最小化、應力釋放最大化；
7. 進行詳細建模，以描述固態(tài)電池中應力和應變的演變，包括長度尺度效應（length-scale effects）、摩擦（friction）、粘附（adhesion）和蠕變（creep）。

那么，又是誰完成了這篇論文？

論文作者簡介

論文一作為Sergiy Kalnaus，來自美國橡樹嶺國家實驗室，是計算科學與工程部的高級研究員。

Sergiy Kalnaus擁有內(nèi)華達大學機械工程博士學位，曾獲得美國能源部頒發(fā)的科學技術杰出貢獻獎。另外還擁有四項專利，其中三項關于電解質(zhì)，一項關于電極漿料，發(fā)表過34篇論文，被引次數(shù)為3195次。

論文作者還包括Nancy J. Dudney，同樣來自橡樹嶺國家實驗室，是化學科學部院士及小組組長。

Nancy J. Dudney本科就讀于威廉瑪麗學院化學專業(yè)，畢業(yè)后直接升入麻省理工學院陶瓷工程學院，并完成博士學位。曾獲得美國能源部頒發(fā)的杰出發(fā)明家稱號，獲得大大小小超13個獎項，擁有超過14項專利，目前正在研究混合動力汽車電池的新型材料。

論文作者還有同樣來自化學科學部的Andrew S. Westover，是該部門的材料科學家。

Andrew S. Westover已經(jīng)在《ACS能源快報》、《材料化學》等多個期刊上發(fā)表超25篇論文，其中還包括電化學三大頂刊之一電化學學會雜志JES，被引次數(shù)達到3292次。目標是實現(xiàn)下一代能源存儲，包括固態(tài)鋰電池。

論文的作者還有Erik Herbert，來自橡樹嶺國家實驗室材料科學與技術部。

Erik Herbert同時還是密歇根理工大學，材料科學與工程專業(yè)的兼職教授，在田納西大學取得材料科學與工程的博士學位。一共發(fā)表14篇論文，被引次數(shù)達到4288次。

論文的最后一位作者是Steve Hackney，是密歇根理工大學的材料科學與工程專業(yè)的全職教授。

Steve Hackney本科就讀于詹姆斯麥迪遜大學化學專業(yè)，碩士和博士均就讀于弗吉尼亞大學材料科學專業(yè)，研究方向包括鋰離子電池、陶瓷電池材料、電池薄膜和納米結構等。

本文從固態(tài)電池領域的領先研究出發(fā)，系統(tǒng)地提出了固態(tài)電池的力學結構框架，重點關注應力的產(chǎn)生、預防和緩解機制，提出了多個解決方案。

當下大多數(shù)固態(tài)電池研究都致力于改善電解質(zhì)的離子傳輸速率和電化學穩(wěn)定性，這篇論文則彌補了這一差距，也有利于開發(fā)能量密度更高、性能更優(yōu)、更安全穩(wěn)定的固態(tài)電池。

參考鏈接

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg5998

[2]https://wulixb.iphy.ac.cn/article/id/79257274-6b4a-4976-887f-c28178f88d30