當(dāng)前位置: 電池聯(lián)盟網(wǎng) > 前沿 >

Science重磅固態(tài)電池機(jī)械行為綜述 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)

時(shí)間:2023-09-24 12:08來(lái)源:儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù) 作者:綜合報(bào)道
點(diǎn)擊: 次

圖片
第一作者：Sergiy Kalnaus
通訊作者：Sergiy Kalnaus
通訊單位：美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
 
【研究亮點(diǎn)】
 
采用鋰金屬負(fù)極的固態(tài)電池具有更高的能量密度、更長(zhǎng)的使用壽命、更寬的工作溫度和更高的安全性。盡管大部分研究都集中在提高材料和界面的傳輸動(dòng)力學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性上，但也存在需要研究材料力學(xué)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在具有固-固界面的電池中，機(jī)械接觸以及固態(tài)電池運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)力的產(chǎn)生，與保持這些界面處穩(wěn)定的電荷轉(zhuǎn)移的電化學(xué)穩(wěn)定性一樣重要。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Sergiy Kalnaus研究員等人今日在Science發(fā)表綜述文章重點(diǎn)關(guān)注電池循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變以及相關(guān)的應(yīng)力緩解機(jī)制。
 
【主要內(nèi)容】
 
背景
與日常手機(jī)和電動(dòng)汽車(chē)中使用的傳統(tǒng)鋰離子電池相比，固態(tài)電池（SSB）具有重要的潛在優(yōu)勢(shì)，包括更高的能量密度和更快的充電速度。由于不含易燃有機(jī)溶劑，固體電解質(zhì)隔膜還可以提供更長(zhǎng)的使用壽命、更寬的工作溫度和更高的安全性。采用鋰金屬負(fù)極和層狀氧化物或轉(zhuǎn)化正極的固態(tài)鋰金屬電池有可能使當(dāng)今最先進(jìn)的使用液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池的比能量幾乎增加一倍。然而，存儲(chǔ)和釋放這種能量會(huì)伴隨著電極的尺寸變化：正極的晶格拉伸和扭曲以及負(fù)極的金屬鋰沉積。液態(tài)電解質(zhì)可以立即適應(yīng)電極的體積變化，而不會(huì)在電解質(zhì)中積聚應(yīng)力或失去與正極顆粒的接觸。然而，當(dāng)改用SSB時(shí)，這些成分應(yīng)變、它們引起的應(yīng)力以及如何緩解這些應(yīng)力對(duì)于電池性能至關(guān)重要。SSB中的大多數(shù)故障首先是機(jī)械故障。SSB的成功設(shè)計(jì)將與材料如何有效地管理這些電池中的應(yīng)力和應(yīng)變的演變密切相關(guān)。
 
在負(fù)極側(cè)，鋰金屬沉積在與固體電解質(zhì)的界面處產(chǎn)生了其自身的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。鋰金屬沉積不僅可以發(fā)生在電極-電解質(zhì)界面處，還可以發(fā)生在固體電解質(zhì)本身、其孔內(nèi)或沿著晶界。這種受限的鋰沉積產(chǎn)生了具有高應(yīng)力的區(qū)域，能夠在電解質(zhì)中引發(fā)破裂。盡管SSB的大多數(shù)故障都是由力學(xué)引起的，但目前大多數(shù)研究都致力于改善電解質(zhì)的離子傳輸和電化學(xué)穩(wěn)定性。為了彌補(bǔ)這一差距，在這篇綜述中，作者提出了SSB的力學(xué)框架，并總結(jié)了該領(lǐng)域的領(lǐng)先研究，重點(diǎn)關(guān)注應(yīng)力產(chǎn)生、預(yù)防和緩解的機(jī)制。
 
進(jìn)展
推動(dòng)可再生資源的發(fā)展需要開(kāi)發(fā)下一代電池，其能量密度是現(xiàn)有電池的兩倍以上，并且可以在 5分鐘或更短的時(shí)間內(nèi)充電。這引發(fā)了一場(chǎng)開(kāi)發(fā)電解質(zhì)的競(jìng)賽，既可以促進(jìn)5分鐘快速充電，又可以實(shí)現(xiàn)鋰金屬負(fù)極——這是高能量的關(guān)鍵。對(duì)鋰金屬具有高電化學(xué)穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)，以及離子電導(dǎo)率高于任何液體電解質(zhì)的硫化物固體電解質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，促使研究轉(zhuǎn)向SSB。盡管這些發(fā)現(xiàn)已經(jīng)播下了SSB可以實(shí)現(xiàn)快速充電和能量密度加倍的愿景，但只有徹底了解電池材料的機(jī)械行為并且將多尺度力學(xué)集成到SSB的開(kāi)發(fā)中，才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
 
展望
必須解決幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，包括（i）固態(tài)電解質(zhì)表面上的鋰沉積層不均勻以及固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)鋰金屬的沉積；(ii) 由于電極接觸處以及晶界處發(fā)生的電化學(xué)循環(huán)相關(guān)的體積變化，導(dǎo)致電池內(nèi)界面接觸的損失；(iii) 使用非常薄的固態(tài)電解質(zhì)和最少的非活性成分（包括粘合劑和結(jié)構(gòu)支撐物）形成SSB的制造工藝。力學(xué)是連接這些問(wèn)題的共同點(diǎn)。金屬鋰沉積到陶瓷固態(tài)電解質(zhì)的表面和體積缺陷中會(huì)導(dǎo)致局部高應(yīng)力，隨著金屬鋰進(jìn)一步擴(kuò)散到裂紋中，可能導(dǎo)致電解質(zhì)破裂。在制造過(guò)程中，作為最低要求，正極-電解質(zhì)堆棧應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度以承受施加的力。對(duì)SSB材料中機(jī)械行為的更好理解將促進(jìn)固態(tài)電解質(zhì)、正極、負(fù)極和電池架構(gòu)以及旨在管理電池制造和運(yùn)行壓力的電池組的開(kāi)發(fā)。
圖片
圖1 | 鋰金屬固態(tài)電池和相應(yīng)的力學(xué)（黑色背景）和傳輸（白色背景）現(xiàn)象的示意圖。
圖片
圖2 | 鋰金屬的長(zhǎng)度尺度和速率相關(guān)力學(xué)。
圖片
圖3 | 通過(guò)非晶態(tài)材料的致密化和剪切流觸發(fā)塑性，并通過(guò)在晶體陶瓷中引入位錯(cuò)來(lái)增韌，從而避免斷裂。
圖片圖4 | LiPON中的變形恢復(fù)，導(dǎo)致循環(huán)加載納米壓痕時(shí)出現(xiàn)類似磁滯的行為。
圖片
圖5 | 復(fù)合固態(tài)正極的疲勞損傷。
圖片
圖6 | 鋰通過(guò)固態(tài)電解質(zhì)的傳播示意圖。
         
【文獻(xiàn)信息】
Sergiy Kalnaus, et al. Solid-state batteries: The critical role of mechanics. Science. 381, 1300 (2023).
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 電池 固態(tài)電池
作者：綜合報(bào)道 ，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明出處：http://jzr14e.cn/qianyan//2023092442840.html
看完這篇還不夠？如果你也也是同行業(yè)需要發(fā)布您的新聞報(bào)道，請(qǐng) 戳這里 告訴我們！
免責(zé)聲明：本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，與中國(guó)電池聯(lián)盟無(wú)關(guān)。其原創(chuàng)性以及文中陳述文字和內(nèi)容未經(jīng)本網(wǎng)證實(shí)，對(duì)本文以及其中全部或者部分內(nèi)容、文字的真實(shí)性、完整性、及時(shí)性本站不作任何保證或承諾，請(qǐng)讀者僅作參考，并請(qǐng)自行核實(shí)相關(guān)內(nèi)容。
凡本網(wǎng)注明 “來(lái)源：XXX（非中國(guó)電池聯(lián)盟）”的作品，均轉(zhuǎn)載自其它媒體，轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。
如因作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問(wèn)題需要同本網(wǎng)聯(lián)系的，請(qǐng)?jiān)谝恢軆?nèi)進(jìn)行，以便我們及時(shí)處理。
QQ：503204601
郵箱：cbcu@cbcu.com.cn
猜你喜歡
專題
相關(guān)新聞

  • 硅基全固態(tài)電池的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

    硅基全固態(tài)電池（ASSBs）因其低成本、高能量密度和可靠的安全性而被認(rèn)為是鋰基全固態(tài)電池最有前途的替代品。
    2023-07-05 11:11

  • 大阪都立大學(xué)取得重大突破 加速固態(tài)電池的采用

    據(jù)外媒報(bào)道，大阪都立大學(xué)（Osaka Metropolitan University）的科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)了Li3PS4（全固態(tài)電池的關(guān)鍵材料）高溫相的前所未有的穩(wěn)定性，從而即使在室溫下也能實(shí)現(xiàn)卓越的離子電導(dǎo)率，從而進(jìn)一步推動(dòng)全固態(tài)電池的實(shí)現(xiàn)以及該技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)等應(yīng)用的普及。
    2023-06-27 10:12

  • 讓ModelY續(xù)航達(dá)965公里，ProLogium展示新LLCB固態(tài)電池

    梅賽德斯-奔馳合作伙伴ProLogium在推出首款100%采用氧化硅陽(yáng)極的固態(tài)電池之后，在近日召開(kāi)的EES博覽會(huì)上，再次展示名為L(zhǎng)LCB的全新固態(tài)電池結(jié)構(gòu)，可提供更高的能量密度。
    2023-06-18 10:04

  • 科學(xué)家開(kāi)發(fā)出提高固態(tài)電池性能新工藝

    美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室日前宣布，他們開(kāi)發(fā)出一種加工工藝，可改善固態(tài)電池電解質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，大幅提升其性能，有助于研制出實(shí)用化的固態(tài)電池。相關(guān)研究成果發(fā)表于美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)《能源通訊》。
    2023-06-11 10:58

  • 中國(guó)學(xué)者發(fā)現(xiàn)金屬鋰的失效機(jī)理，為研發(fā)高密度的固態(tài)鋰電池鋪路

    20 世紀(jì) 90 年代，自鋰離子電池被成功商業(yè)化以后，這項(xiàng)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)陸續(xù)改變著現(xiàn)代生活的方方面面。 從最初被廣泛用于手持式電子設(shè)備如手機(jī)、筆記本電腦和數(shù)碼相機(jī)等，到隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，其已被廣泛用于電動(dòng)汽車(chē)、能源儲(chǔ)存系統(tǒng)和航空航天等
    2023-05-31 10:13

  • 杜克大學(xué)發(fā)現(xiàn)新的電解質(zhì)材料 助力開(kāi)發(fā)固態(tài)電池

    該團(tuán)隊(duì)研究一種由銀、錫和硒（Ag8SnSe6）制成的富有前景的候選材料。
    2023-05-29 08:52

  • 助力全固態(tài)鋰電池研發(fā)，中科大團(tuán)隊(duì)固態(tài)電解質(zhì)新發(fā)現(xiàn)

    近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚宏斌教授表示，經(jīng)過(guò)3年多科研攻關(guān)，其所在團(tuán)隊(duì)與合作者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一種全固態(tài)鋰電池所需的電解質(zhì)新家族，能實(shí)現(xiàn)鋰離子的快速傳導(dǎo)同時(shí)做到固態(tài)鋰金屬電池的穩(wěn)定循環(huán)。相關(guān)研究成果已發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)上。
    2023-04-27 11:33

  • 具有Fe價(jià)梯度的自氟化界面助力無(wú)枝晶固態(tài)鈉金屬電池

    導(dǎo)讀：近年來(lái)，為了響應(yīng)綠色可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，化石燃料向可再生能源過(guò)渡的速度不斷加快。為了滿足日益增長(zhǎng)的高效儲(chǔ)能需求，可充電電池面臨著巨大的挑戰(zhàn)。鋰離子電池（LIBs）由于有限的鋰儲(chǔ)量和高昂的原材料成本，在大規(guī)模電網(wǎng)儲(chǔ)存和電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的長(zhǎng)期適
    2023-04-21 09:24
本月熱點(diǎn)

  • 總投資186億元！這一鋰電新材料項(xiàng)目湖北開(kāi)工

    9月22日上午，湖北省宜昌市2023年三季度重大項(xiàng)目開(kāi)工暨盛虹集團(tuán)湖北海格斯鋰電新材料項(xiàng)目開(kāi)工活動(dòng)在宜都市舉行。本次集中開(kāi)工活動(dòng)共有222個(gè)重大項(xiàng)目計(jì)劃總投資1753.6億元，其中總投資186億元的湖北海格斯鋰電新材料項(xiàng)目是迄今為止宜都引進(jìn)的單體投資規(guī)模最大
    2023-09-25 08:15

  • 弗迪電池牽手LG，打造面向歐美市場(chǎng)的超強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)品

    10月7日，弗迪電池通過(guò)官方公眾號(hào)宣布，2023年9月4日，LG與弗迪電池有限公司在韓國(guó)首爾簽署“戰(zhàn)略合作備忘錄”。
    2023-10-08 17:32

  • 為寶馬MINI供貨、IPO第二輪審核中······蜂巢能源媒體日說(shuō)了啥

    產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題日益嚴(yán)重，鋰電市場(chǎng)變化莫測(cè)，隨著鋰電池供給的增長(zhǎng)，需求是否匹配供給存在變數(shù)。
    2023-09-26 17:43

  • 鋰電池pack工藝培訓(xùn)通知

    鋰電池pack工藝培訓(xùn) -報(bào)名表
    2023-10-07 17:47

  • 百億元項(xiàng)目頻現(xiàn)，如何提升產(chǎn)能利用率？

    隨著電動(dòng)汽車(chē)、動(dòng)力電池市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，鋰電企業(yè)紛紛擴(kuò)產(chǎn)以希望占領(lǐng)先機(jī)，其中不乏超百億項(xiàng)目。與此同時(shí)，我們也不能忽略行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩的問(wèn)題。 百億項(xiàng)目頻現(xiàn) 電池聯(lián)盟注意到，9月以來(lái)，已有多個(gè)投資超過(guò)百億的電池項(xiàng)目開(kāi)工、簽約。 9月26日，鵬輝能源舉
    2023-09-27 17:47

  • 960億元！寧德時(shí)代、億緯鋰能、蜂巢能源瓜分寶馬電池大單

    日前,上海寶冶集團(tuán)有限公司承建的安徽派能科技10Gwh鋰電池研發(fā)制造基地一期項(xiàng)目隆重舉行投產(chǎn)儀式,項(xiàng)目投產(chǎn)后將填補(bǔ)合肥儲(chǔ)能電池領(lǐng)域的空白,對(duì)進(jìn)一步壯大肥西三大戰(zhàn)新產(chǎn)業(yè)集群具有極為深遠(yuǎn)的意義。
    2023-10-13 17:47

  • 超過(guò)30GWh！新項(xiàng)目不斷、上車(chē)加速，鈉離子電池賽道升溫

    由于具備資源豐富、成本低、安全等優(yōu)勢(shì)，鈉離子電池受到市場(chǎng)關(guān)注，吸引了多家企業(yè)布局。有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2025年/2030年鈉電池市場(chǎng)規(guī)模分別達(dá)到91GWh和1132GWh，未來(lái)8年鈉電池市場(chǎng)規(guī)模將保持高速增長(zhǎng)。
    2023-10-08 08:25

  • 工信部：7-8月全國(guó)鋰電池總產(chǎn)量超過(guò)180GWh

    10月9日，據(jù)工信部數(shù)據(jù)顯示，2023年7-8月，我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)延續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。根據(jù)鋰電池行業(yè)規(guī)范公告企業(yè)信息和行業(yè)協(xié)會(huì)測(cè)算，7-8月全國(guó)鋰電池總產(chǎn)量超過(guò)180GWh，同比增長(zhǎng)23%。
    2023-10-09 17:31
歡迎投稿
聯(lián)系人：王女士
Email：cbcu#cbcu.com.cn
發(fā)送郵件時(shí)用@替換#
電話：010-56284224
在線投稿
企業(yè)微信號(hào)
微信公眾號(hào)