Sergiy Kalnaus, et al. סוללות במצב מוצק: התפקיד הקריטי של המכניקה. מַדָע. 381, 1300 (2023).
לסוללות מצב מוצק עם אנודות מתכת ליתיום יש פוטנציאל לצפיפות אנרגיה גבוהה יותר, אורך חיים ארוך יותר, טמפרטורת פעולה רחבה יותר ובטיחות מוגברת. למרות שעיקר המחקר התמקד בשיפור קינטיקה הובלה ויציבות אלקטרוכימית של החומרים והממשקים, ישנם גם אתגרים קריטיים הדורשים חקירה של מכניקת החומרים. בסוללות עם ממשקים מוצקים-מוצקים, מגעים מכניים והתפתחות של מתחים במהלך פעולת סוללות המצב המוצק, הופכים קריטיים כמו היציבות האלקטרוכימית כדי לשמור על העברת מטען קבועה בממשקים אלו. סקירה זו תתמקד במתח ובמתח הנובעים ממחזור סוללה רגיל וממושך והמנגנונים הנלווים להפגת מתחים, שחלקם מובילים לכשל בסוללות אלו.
רקע כללי
לסוללות מצב מוצק (SSB) יש יתרונות פוטנציאליים חשובים על פני סוללות Li-ion מסורתיות המשמשות בטלפונים יומיומיים ובכלי רכב חשמליים. בין היתרונות הפוטנציאליים הללו היא צפיפות אנרגיה גבוהה יותר וטעינה מהירה יותר. מפריד אלקטרוליטים מוצקים עשוי גם לספק אורך חיים ארוך יותר, טמפרטורת פעולה רחבה יותר ובטיחות מוגברת עקב היעדר ממסים אורגניים דליקים. אחד ההיבטים הקריטיים של SSBs הוא תגובת הלחץ של המיקרו-מבנה שלהם לשינויים ממדיים (זנים) המונעים על ידי הובלה המונית. הזנים ההרכביים בחלקיקי הקתודה מתרחשים גם בסוללות אלקטרוליטים נוזליים, אך ב-SSB זנים אלו מובילים לבעיות מכניקת מגע בין חלקיקי אלקטרודה מתרחבים או מתכווצים לבין אלקטרוליט מוצק. בצד האנודה, ציפוי מתכת ליתיום יוצר מצב מתח מורכב משלו בממשק עם האלקטרוליט המוצק. תכונה קריטית של SSBs היא שציפוי כזה יכול להתרחש לא רק בממשק האלקטרודה-אלקטרוליט אלא בתוך האלקטרוליט המוצק עצמו, בתוך הנקבוביות שלו או לאורך גבולות התבואה. שקיעת ליתיום מוגבלת כזו יוצרת אזורים עם מתח הידרוסטטי גבוה המסוגלים ליזום שברים באלקטרוליט. למרות שרוב הכשלים ב-SSBs מונעים על ידי מכניקה, רוב המחקר הוקדש לשיפור הובלת יונים ויציבות אלקטרוכימית של אלקטרוליטים. כניסיון לגשר על פער זה, בסקירה זו אנו מציגים מסגרת מכאנית ל-SSBs ובוחנים מחקרים מובילים בתחום, תוך התמקדות במנגנונים שבאמצעותם מתח נוצר, מונע ומוקל.
מקדמות
הדחיפה למשאבים מתחדשים מחייבת פיתוח של סוללות מהדור הבא עם צפיפות אנרגיה יותר מכפולה מזו של סוללות קיימות ויכולות להיטען תוך 5 דקות או פחות. זה הוביל למירוץ לפיתוח אלקטרוליטים שיכולים גם להקל על טעינה מהירה של 5-דקות וגם לאפשר אנודות מתכת Li - המפתח לאנרגיה גבוהה. הגילוי של אלקטרוליטים מוצקים בעלי יציבות אלקטרוכימית גבוהה עם אלקטרוליטים מוצקים של מתכת Li וגופרית עם מוליכות יונית גדולה יותר מאלה של כל אלקטרוליט נוזלי, הובילה לשינוי בקהילת המחקר לכיוון SSBs. למרות שתגליות אלו זרעו את ההבטחה ש-SSBs יכולים לאפשר את החזון של טעינה מהירה והכפלה של צפיפות האנרגיה, מימוש הבטחה זו אפשרי רק אם ההתנהגות המכנית של חומרי הסוללה מובנת היטב ומכניקה רב-קנה מידה משולבת בפיתוח של SSBs. .
הַשׁקָפָה
יש להתמודד עם מספר אתגרים מרכזיים, כולל (i) ציפוי ליתיום לא אחיד על משטח אלקטרוליט מוצק ותצהיר של מתכת ליתיום בתוך האלקטרוליט המוצק; (ii) אובדן מגע ממשק בתוך התא כתוצאה משינויי הנפח הקשורים למחזוריות האלקטרוכימית המתרחשת במגעי אלקטרודות וגם בגבולות התבואה; וכן (iii) תהליכי ייצור ליצירת SSBs עם אלקטרוליט מוצק דק מאוד ומינימום רכיבים לא פעילים, כולל קלסרים ותומכים מבניים. מכניקה היא מכנה משותף המחבר בין בעיות אלו. שקיעה של ליתיום מתכתי לתוך פני השטח ופגמים בנפח של אלקטרוליט מוצק קרמי גורמת ללחצים מקומיים גבוהים שיכולים להוביל לשבר אלקטרוליט עם התפשטות נוספת של ליתיום מתכתי לתוך הסדקים. בייצור, כדרישת מינימום, ערימות הקתודה-אלקטרוליטים צריכות להיות בעלות מספיק חוזק כדי לעמוד בכוחות המופעלים על ידי הציוד. הבנה טובה יותר של המכניקה של חומרי SSB תעבור לפיתוח של אלקטרוליטים מוצקים, קתודות, אנודות וארכיטקטורות תאים, כמו גם ערכות סוללות שנועדו לנהל את הלחצים של ייצור ותפעול סוללות.
איור 1 תרשים סכמטי של סוללות ליתיום מתכת מוצק, מכניקה ותופעות תחבורה.
איור 2 סולם אורך ומכניקה תלוית קצב של מתכת ליתיום.
איור 3 הפלסטיות מופעלת על ידי צפיפות וזרימת גזירה בחומרים אמורפיים ומתקשה על ידי הכנסת נקעים בקרמיקה גבישית, ובכך נמנעת שבר.
איור 4 התאוששות דפורמציה ב-LiPON, וכתוצאה מכך התנהגות דמוית היסטרזיס במהלך העמסה מחזורית של ננו.
איור 5 נזקי עייפות של קתודה מוצקה מורכבת.
איור 6 תרשים סכמטי של התפשטות ליתיום דרך אלקטרוליט מוצק.
