Sergiy Kalnaus, et al. Batris cyflwr solet: Rôl hanfodol mecaneg. Gwyddoniaeth. 381, 1300 (2023).
Mae gan fatris cyflwr solid ag anodau metel lithiwm y potensial ar gyfer dwysedd ynni uwch, oes hirach, tymheredd gweithredu ehangach, a mwy o ddiogelwch. Er bod y rhan fwyaf o'r ymchwil wedi canolbwyntio ar wella cineteg trafnidiaeth a sefydlogrwydd electrocemegol y deunyddiau a'r rhyngwynebau, mae heriau hollbwysig hefyd sy'n gofyn am ymchwilio i fecaneg deunyddiau. Mewn batris â rhyngwynebau solet-solid, mae cysylltiadau mecanyddol, a datblygiad straen yn ystod gweithrediad y batris cyflwr solet, yn dod mor hanfodol â'r sefydlogrwydd electrocemegol i gadw trosglwyddiad tâl cyson yn y rhyngwynebau hyn. Bydd yr adolygiad hwn yn canolbwyntio ar straen a straen sy'n deillio o feicio batri arferol ac estynedig a'r mecanweithiau cysylltiedig ar gyfer lleddfu straen, y mae rhai ohonynt yn arwain at fethiant y batris hyn.
CEFNDIR
Mae gan fatris cyflwr solid (SSBs) fanteision posibl pwysig dros fatris Li-ion traddodiadol a ddefnyddir mewn ffonau bob dydd a cherbydau trydan. Ymhlith y manteision posibl hyn mae dwysedd ynni uwch a chodi tâl cyflymach. Gall gwahanydd electrolyt solet hefyd ddarparu oes hirach, tymheredd gweithredu ehangach, a mwy o ddiogelwch oherwydd absenoldeb toddyddion organig fflamadwy. Un o'r agweddau hanfodol ar SSBs yw ymateb straen eu microstrwythur i newidiadau dimensiwn (straen) sy'n cael eu gyrru gan drafnidiaeth dorfol. Mae'r straen cyfansoddiadol mewn gronynnau catod yn digwydd mewn batris electrolyt hylif hefyd, ond mewn SSBs mae'r straen hwn yn arwain at broblemau mecaneg cyswllt rhwng ehangu neu gontractio gronynnau electrod ac electrolyt solet. Ar ochr yr anod, mae platio metel lithiwm yn creu ei gyflwr straen cymhleth ei hun ar y rhyngwyneb â'r electrolyt solet. Nodwedd hanfodol o SSBs yw y gall platio o'r fath ddigwydd nid yn unig ar y rhyngwyneb electrod-electrolyte ond o fewn yr electrolyt solet ei hun, y tu mewn i'w mandyllau neu ar hyd y ffiniau grawn. Mae dyddodiad lithiwm cyfyngedig o'r fath yn creu ardaloedd â straen hydrostatig uchel sy'n gallu cychwyn toriadau yn yr electrolyte. Er bod mwyafrif y methiannau mewn SSBs yn cael eu gyrru gan fecaneg, mae'r rhan fwyaf o'r ymchwil wedi'i neilltuo i wella trafnidiaeth ïon a sefydlogrwydd electrocemegol electrolytau. Fel ymgais i bontio'r bwlch hwn, yn yr adolygiad hwn rydym yn cyflwyno fframwaith mecaneg ar gyfer SSBs ac yn archwilio ymchwil blaenllaw yn y maes, gan ganolbwyntio ar y mecanweithiau ar gyfer cynhyrchu, atal a lleddfu straen.
CYNGHORION
Mae'r ymdrech tuag at adnoddau adnewyddadwy yn gofyn am ddatblygu batris cenhedlaeth nesaf gyda dwyseddau ynni yn fwy na dwbl y batris cyfredol a all godi tâl mewn 5 munud neu lai. Mae hyn wedi arwain at ras i ddatblygu electrolytau a all hwyluso 5-munud codi tâl cyflym a galluogi anodau metel Li - yr allwedd i ynni uchel. Mae darganfod electrolytau solet sydd â sefydlogrwydd electrocemegol uchel gydag electrolytau solet metel Li a sylffid gyda dargludedd ïonig sy'n fwy na rhai unrhyw electrolyt hylif wedi ysgogi symudiad yn y gymuned ymchwil tuag at SSBs. Er bod y darganfyddiadau hyn wedi hadu'r addewid y gall SSBs alluogi'r weledigaeth o godi tâl cyflym a dyblu dwysedd ynni, mae gwireddu'r addewid hwn yn ymarferol dim ond os yw ymddygiad mecanyddol deunyddiau batri yn cael ei ddeall yn drylwyr a bod mecaneg aml-raddfa wedi'i hintegreiddio yn natblygiad SSBs. .
RHAGOLYGON
Rhaid mynd i'r afael â sawl her allweddol, gan gynnwys (i) platio lithiwm anunffurf ar wyneb electrolyt solet a dyddodiad metel lithiwm o fewn yr electrolyt solet; (ii) colli cyswllt rhyngwynebol o fewn y gell o ganlyniad i'r newidiadau cyfaint sy'n gysylltiedig â'r cylchred electrocemegol sy'n digwydd ar gysylltiadau electrod a hefyd ar ffiniau grawn; a (iii) prosesau gweithgynhyrchu i ffurfio SSBs ag electrolyt solet tenau iawn ac isafswm o gydrannau anactif, gan gynnwys rhwymwyr a chynhalwyr strwythurol. Mae mecaneg yn enwadur cyffredin sy'n cysylltu'r problemau hyn. Mae dyddodi lithiwm metelaidd i ddiffygion wyneb a chyfaint electrolyt solet ceramig yn arwain at straen uchel lleol a all arwain at dorri asgwrn yr electrolyt gyda lledaeniad pellach o lithiwm metelaidd i'r craciau. Mewn gweithgynhyrchu, fel gofyniad sylfaenol, dylai'r staciau catod-electrolyte feddu ar ddigon o gryfder i wrthsefyll y grymoedd a ddefnyddir gan yr offer. Bydd gwell dealltwriaeth o fecaneg deunyddiau SSB yn trosglwyddo i ddatblygiad electrolytau solet, catodes, anodes, a phensaernïaeth celloedd, yn ogystal â phecynnau batri sydd wedi'u cynllunio i reoli straen gweithgynhyrchu a gweithredu batri.
Ffigur 1 Diagram sgematig o fatris cyflwr solet metel lithiwm, mecaneg a ffenomenau trafnidiaeth.
Ffigur 2 Graddfa hyd a mecaneg cyfradd-ddibynnol o fetel lithiwm.
Ffigur 3 Mae plastigrwydd yn cael ei sbarduno gan ddwysiad a llif cneifio mewn deunyddiau amorffaidd ac yn cael ei gryfhau gan gyflwyniad dadleoliadau mewn cerameg grisialaidd, gan osgoi torri asgwrn.
Ffigur 4 Adfer anffurfiad yn LiPON, gan arwain at ymddygiad tebyg i hysteresis yn ystod llwytho cylchol o nanoindentation.
Ffigur 5 Difrod blinder i gatod solet cyfansawdd.
Ffigur 6 Diagram sgematig o ymlediad lithiwm trwy electrolyt solet.
