Science：固態(tài)電池未決，研究材料力學(xué)！

一凡 2023-09-28 22:18:22 來源：量子位

曹原 發(fā)自 副駕寺

智能車參考 | 公眾號(hào) AI4Auto

以往對(duì)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(gè)觀點(diǎn)。

因?yàn)橄胍獙?shí)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(xué)性質(zhì)。

實(shí)際上，固態(tài)電池的力學(xué)結(jié)構(gòu)也需要考慮在內(nèi)。

為什么要研究力學(xué)結(jié)構(gòu)？要怎么了解不同材料下固態(tài)電池的力學(xué)結(jié)構(gòu)？

因?yàn)榱W(xué)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致固態(tài)電池失效，又有什么對(duì)應(yīng)的解決辦法？

來自美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和密歇根理工大學(xué)的五位作者，詳細(xì)解答了這些問題。

固態(tài)電池中力學(xué)的關(guān)鍵作用

既然需要關(guān)注固態(tài)電池的力學(xué)結(jié)構(gòu)，那么如何評(píng)估和設(shè)計(jì)呢？

論文提供了一個(gè)理解和設(shè)計(jì)力學(xué)結(jié)構(gòu)可靠的固態(tài)電池的框架。

該框架包括三個(gè)方面：

1、識(shí)別和理解該固態(tài)電池中局部應(yīng)變的來源；
2、了解這種應(yīng)力，特別是在電池界面處，以及電池材料對(duì)這些應(yīng)力的響應(yīng)；
3、設(shè)計(jì)具有所需應(yīng)力和應(yīng)變演變的電池材料和電池單元。

其中，應(yīng)力是材料受到的外力大小，應(yīng)變是指材料在受到外力時(shí)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(guān)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(duì)鋰枝晶抑制效果也存在不同，評(píng)估抑制效果好壞的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是該材料的應(yīng)力和應(yīng)變。

如果這種固態(tài)電解質(zhì)即使受到很大的應(yīng)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(shí)，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(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系曲線，來源參考論文2

所以，在選擇固態(tài)電解質(zhì)時(shí)選擇各項(xiàng)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(xué)結(jié)構(gòu)。

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(duì)應(yīng)的力學(xué)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(huì)影響電池內(nèi)部的受力結(jié)構(gòu)，但因?yàn)楣虘B(tài)鋰電池中固態(tài)含量較高，陰陽極體積的改變可能會(huì)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(huì)導(dǎo)致該處的應(yīng)力增大。

假如應(yīng)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(yīng)變程度），會(huì)有材料斷裂、粉化等風(fēng)險(xiǎn)。

所以，材料的力學(xué)性質(zhì)的變化會(huì)影響材料的電化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)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(jié)劑、導(dǎo)電劑等），所使用的材料也會(huì)影響到電池的力學(xué)結(jié)構(gòu)，這篇論文提供的框架可以用來研究這些材料的力學(xué)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(shí)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(yīng)變速率（電流密度）來研究鋰金屬的應(yīng)力緩解機(jī)制；
2. 根據(jù)長度尺度、溫度和應(yīng)變速率來研究陶瓷、玻璃和非晶陶瓷的應(yīng)力緩解機(jī)制；
3. 討論陶瓷、玻璃電解質(zhì)的工程延展性；
4. 設(shè)計(jì)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(yīng)力；
5. 設(shè)計(jì)一種陰極活性材料，具有零循環(huán)應(yīng)變、抗斷裂的特點(diǎn)，或者具有一定的延展性；
6. 設(shè)計(jì)一種復(fù)合陰極，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變最小化、應(yīng)力釋放最大化；
7. 進(jìn)行詳細(xì)建模，以描述固態(tài)電池中應(yīng)力和應(yīng)變的演變，包括長度尺度效應(yīng)（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(shí)驗(yàn)室，是計(jì)算科學(xué)與工程部的高級(jí)研究員。

Sergiy Kalnaus擁有內(nèi)華達(dá)大學(xué)機(jī)械工程博士學(xué)位，曾獲得美國能源部頒發(fā)的科學(xué)技術(shù)杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。另外還擁有四項(xiàng)專利，其中三項(xiàng)關(guān)于電解質(zhì)，一項(xiàng)關(guān)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(shí)驗(yàn)室，是化學(xué)科學(xué)部院士及小組組長。

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

論文作者還有同樣來自化學(xué)科學(xué)部的Andrew S. Westover，是該部門的材料科學(xué)家。

Andrew S. Westover已經(jīng)在《ACS能源快報(bào)》、《材料化學(xué)》等多個(gè)期刊上發(fā)表超25篇論文，其中還包括電化學(xué)三大頂刊之一電化學(xué)學(xué)會(huì)雜志JES，被引次數(shù)達(dá)到3292次。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)下一代能源存儲(chǔ)，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(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)與技術(shù)部。

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

論文的最后一位作者是Steve Hackney，是密歇根理工大學(xué)的材料科學(xué)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(xué)化學(xué)專業(yè)，碩士和博士均就讀于弗吉尼亞大學(xué)材料科學(xué)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(jié)構(gòu)等。

本文從固態(tài)電池領(lǐng)域的領(lǐng)先研究出發(fā)，系統(tǒng)地提出了固態(tài)電池的力學(xué)結(jié)構(gòu)框架，重點(diǎn)關(guān)注應(yīng)力的產(chǎn)生、預(yù)防和緩解機(jī)制，提出了多個(gè)解決方案。

當(dāng)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(xué)穩(wěn)定性，這篇論文則彌補(bǔ)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