摘要
【固態(tài)電池突破在即？這一“神秘力量”可大幅提高其性能和壽命】當(dāng)電流流過(guò)電池時(shí)，電池內(nèi)部的材料會(huì)逐漸磨損。應(yīng)力和應(yīng)變的物理力量也在這個(gè)過(guò)程中發(fā)揮作用，但它們對(duì)電池性能和壽命的確切影響目前尚不完全清楚。因此，美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室決定“另辟蹊徑”，開(kāi)發(fā)了一個(gè)設(shè)計(jì)固態(tài)電池（SSB）的框架，重點(diǎn)考慮到了其中的力學(xué)問(wèn)題，而非一般研究中的電化學(xué)性質(zhì)。最新研究結(jié)果已于近期發(fā)表在了《科學(xué)》雜志上。
當(dāng)電流流過(guò)電池時(shí)，電池內(nèi)部的材料會(huì)逐漸磨損。應(yīng)力和應(yīng)變的物理力量也在這個(gè)過(guò)程中發(fā)揮作用，但它們對(duì)電池性能和壽命的確切影響目前尚不完全清楚。
因此，美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory，簡(jiǎn)稱ORNL）決定“另辟蹊徑”，開(kāi)發(fā)了一個(gè)設(shè)計(jì)固態(tài)電池（SSB）的框架，重點(diǎn)考慮到了其中的力學(xué)問(wèn)題，而非一般研究中的電化學(xué)性質(zhì)。最新研究結(jié)果已于近期發(fā)表在了《科學(xué)》雜志上。
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“我們的目標(biāo)是強(qiáng)調(diào)力學(xué)在電池性能中的重要性，”ORNL多物理場(chǎng)建模和流動(dòng)小組的科學(xué)家Sergiy Kalnaus說(shuō)，“許多研究都集中在化學(xué)或電學(xué)性質(zhì)上，但卻忽視了其潛在的力學(xué)機(jī)制。”
據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)橫跨ORNL的幾個(gè)研究領(lǐng)域，包括計(jì)算、化學(xué)和材料科學(xué)。他們的綜述通過(guò)使用科學(xué)領(lǐng)域的觀點(diǎn)，對(duì)影響SSB的條件描繪了一幅更具凝聚力的畫面。
固體電解質(zhì)
在電池中，帶電粒子會(huì)流過(guò)被稱為電解質(zhì)的材料。這些電解質(zhì)大多數(shù)是液體，比如電動(dòng)汽車中的鋰離子電池，但固體電解質(zhì)也在開(kāi)發(fā)中。這些導(dǎo)體通常由玻璃或陶瓷制成，可以提供諸如增強(qiáng)安全性和強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。
“真正的固態(tài)電池內(nèi)部沒(méi)有易燃液體，”Kalnaus說(shuō)：“這意味著它們比目前常用的電池危險(xiǎn)更小。”
發(fā)展固態(tài)電池的挑戰(zhàn)
然而，由于與這些新材料相關(guān)的挑戰(zhàn)，固體電解質(zhì)仍處于發(fā)展的早期階段。
具體而言，SSB組件在電荷和質(zhì)量傳輸過(guò)程中膨脹和收縮，從而會(huì)改變整體系統(tǒng)。電極在電池運(yùn)行過(guò)程中不斷變形，在與固體電解質(zhì)的界面上產(chǎn)生分層和空隙，在當(dāng)今的系統(tǒng)中，最好的解決方案是施加大量壓力，使一切保持在一起。
然而，這些尺寸變化會(huì)損壞由脆性材料制成的固體電解質(zhì)，它們經(jīng)常因應(yīng)力和壓力而斷裂。使這些材料更具延展性，將使它們能夠通過(guò)流動(dòng)而不是破裂來(lái)承受應(yīng)力。這種行為可以通過(guò)將小的晶體缺陷引入陶瓷電解質(zhì)的一些技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
未來(lái)構(gòu)思
據(jù)了解，電子通過(guò)陽(yáng)極離開(kāi)系統(tǒng)。在SSB中，該組件可以由純鋰制成，純鋰是能量密度最高的金屬，盡管這種材料為電池的功率提供了優(yōu)勢(shì)，但它也會(huì)產(chǎn)生壓力，從而損壞電解質(zhì)。
“在充電過(guò)程中，鍍層不均勻和缺乏應(yīng)力消除機(jī)制會(huì)造成應(yīng)力集中。”ORNL機(jī)械性能和力學(xué)小組的負(fù)責(zé)人Erik Herbert說(shuō)：“為了優(yōu)化SSB的性能和壽命，我們需要設(shè)計(jì)下一代陽(yáng)極和固體電解質(zhì)，以保持機(jī)械穩(wěn)定的界面，而不會(huì)破壞固體電解質(zhì)隔膜。”
事實(shí)上，該團(tuán)隊(duì)的工作是ORNL研究SSB材料的悠久歷史的一部分。在20世紀(jì)90年代初，一種被稱為氧化磷鋰（LiPON）的玻璃狀電解質(zhì)在實(shí)驗(yàn)室被開(kāi)發(fā)出來(lái)。
LiPON已被廣泛用作具有金屬鋰陽(yáng)極的薄膜電池的電解質(zhì)。該組件可以承受許多充放電循環(huán)而不會(huì)失效，主要是由于LiPON的延展性。當(dāng)遇到機(jī)械應(yīng)力時(shí)，它會(huì)流動(dòng)而不是開(kāi)裂。
研究人員說(shuō)，“近年來(lái)，我們了解到LiPON具有強(qiáng)大的機(jī)械性能，以補(bǔ)充其化學(xué)和電化學(xué)耐久性。在我們的論文中，我們概述了固態(tài)電解質(zhì)材料的力學(xué)，鼓勵(lì)科學(xué)家在設(shè)計(jì)新電池時(shí)考慮這些。”
【固態(tài)電池突破在即？這一“神秘力量”可大幅提高其性能和壽命】當(dāng)電流流過(guò)電池時(shí)，電池內(nèi)部的材料會(huì)逐漸磨損。應(yīng)力和應(yīng)變的物理力量也在這個(gè)過(guò)程中發(fā)揮作用，但它們對(duì)電池性能和壽命的確切影響目前尚不完全清楚。因此，美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室決定“另辟蹊徑”，開(kāi)發(fā)了一個(gè)設(shè)計(jì)固態(tài)電池（SSB）的框架，重點(diǎn)考慮到了其中的力學(xué)問(wèn)題，而非一般研究中的電化學(xué)性質(zhì)。最新研究結(jié)果已于近期發(fā)表在了《科學(xué)》雜志上。
當(dāng)電流流過(guò)電池時(shí)，電池內(nèi)部的材料會(huì)逐漸磨損。應(yīng)力和應(yīng)變的物理力量也在這個(gè)過(guò)程中發(fā)揮作用，但它們對(duì)電池性能和壽命的確切影響目前尚不完全清楚。
因此，美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory，簡(jiǎn)稱ORNL）決定“另辟蹊徑”，開(kāi)發(fā)了一個(gè)設(shè)計(jì)固態(tài)電池（SSB）的框架，重點(diǎn)考慮到了其中的力學(xué)問(wèn)題，而非一般研究中的電化學(xué)性質(zhì)。最新研究結(jié)果已于近期發(fā)表在了《科學(xué)》雜志上。
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“我們的目標(biāo)是強(qiáng)調(diào)力學(xué)在電池性能中的重要性，”ORNL多物理場(chǎng)建模和流動(dòng)小組的科學(xué)家Sergiy Kalnaus說(shuō)，“許多研究都集中在化學(xué)或電學(xué)性質(zhì)上，但卻忽視了其潛在的力學(xué)機(jī)制。”
據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)橫跨ORNL的幾個(gè)研究領(lǐng)域，包括計(jì)算、化學(xué)和材料科學(xué)。他們的綜述通過(guò)使用科學(xué)領(lǐng)域的觀點(diǎn)，對(duì)影響SSB的條件描繪了一幅更具凝聚力的畫面。
固體電解質(zhì)
在電池中，帶電粒子會(huì)流過(guò)被稱為電解質(zhì)的材料。這些電解質(zhì)大多數(shù)是液體，比如電動(dòng)汽車中的鋰離子電池，但固體電解質(zhì)也在開(kāi)發(fā)中。這些導(dǎo)體通常由玻璃或陶瓷制成，可以提供諸如增強(qiáng)安全性和強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。
“真正的固態(tài)電池內(nèi)部沒(méi)有易燃液體，”Kalnaus說(shuō)：“這意味著它們比目前常用的電池危險(xiǎn)更小。”
發(fā)展固態(tài)電池的挑戰(zhàn)
然而，由于與這些新材料相關(guān)的挑戰(zhàn)，固體電解質(zhì)仍處于發(fā)展的早期階段。
具體而言，SSB組件在電荷和質(zhì)量傳輸過(guò)程中膨脹和收縮，從而會(huì)改變整體系統(tǒng)。電極在電池運(yùn)行過(guò)程中不斷變形，在與固體電解質(zhì)的界面上產(chǎn)生分層和空隙，在當(dāng)今的系統(tǒng)中，最好的解決方案是施加大量壓力，使一切保持在一起。
然而，這些尺寸變化會(huì)損壞由脆性材料制成的固體電解質(zhì)，它們經(jīng)常因應(yīng)力和壓力而斷裂。使這些材料更具延展性，將使它們能夠通過(guò)流動(dòng)而不是破裂來(lái)承受應(yīng)力。這種行為可以通過(guò)將小的晶體缺陷引入陶瓷電解質(zhì)的一些技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
未來(lái)構(gòu)思
據(jù)了解，電子通過(guò)陽(yáng)極離開(kāi)系統(tǒng)。在SSB中，該組件可以由純鋰制成，純鋰是能量密度最高的金屬，盡管這種材料為電池的功率提供了優(yōu)勢(shì)，但它也會(huì)產(chǎn)生壓力，從而損壞電解質(zhì)。
“在充電過(guò)程中，鍍層不均勻和缺乏應(yīng)力消除機(jī)制會(huì)造成應(yīng)力集中。”ORNL機(jī)械性能和力學(xué)小組的負(fù)責(zé)人Erik Herbert說(shuō)：“為了優(yōu)化SSB的性能和壽命，我們需要設(shè)計(jì)下一代陽(yáng)極和固體電解質(zhì)，以保持機(jī)械穩(wěn)定的界面，而不會(huì)破壞固體電解質(zhì)隔膜。”
事實(shí)上，該團(tuán)隊(duì)的工作是ORNL研究SSB材料的悠久歷史的一部分。在20世紀(jì)90年代初，一種被稱為氧化磷鋰（LiPON）的玻璃狀電解質(zhì)在實(shí)驗(yàn)室被開(kāi)發(fā)出來(lái)。
LiPON已被廣泛用作具有金屬鋰陽(yáng)極的薄膜電池的電解質(zhì)。該組件可以承受許多充放電循環(huán)而不會(huì)失效，主要是由于LiPON的延展性。當(dāng)遇到機(jī)械應(yīng)力時(shí)，它會(huì)流動(dòng)而不是開(kāi)裂。
研究人員說(shuō)，“近年來(lái)，我們了解到LiPON具有強(qiáng)大的機(jī)械性能，以補(bǔ)充其化學(xué)和電化學(xué)耐久性。在我們的論文中，我們概述了固態(tài)電解質(zhì)材料的力學(xué)，鼓勵(lì)科學(xué)家在設(shè)計(jì)新電池時(shí)考慮這些。”
