Sergiy Kalnaus ve diğerleri. Katı hal pilleri: Mekaniğin kritik rolü. Bilim. 381, 1300 (2023).
Lityum metal anotlu katı hal piller, daha yüksek enerji yoğunluğu, daha uzun ömür, daha geniş çalışma sıcaklığı ve artırılmış güvenlik potansiyeline sahiptir. Araştırmanın büyük bir kısmı malzemelerin ve arayüzlerin taşıma kinetiğini ve elektrokimyasal stabilitesini iyileştirmeye odaklanmış olsa da, malzeme mekaniğinin araştırılmasını gerektiren kritik zorluklar da vardır. Katı-katı arayüzeyli pillerde, mekanik temaslar ve katı hal pillerin çalışması sırasında oluşan gerilimler, bu arayüzlerde yük aktarımının sabit kalması için elektrokimyasal kararlılık kadar kritik hale gelir. Bu inceleme, normal ve uzun süreli akü döngüsünden kaynaklanan stres ve gerilime ve bunlardan bazıları bu akülerin arızalanmasına neden olan stres gidermeyle ilgili mekanizmalara odaklanacaktır.
ARKA PLAN
Katı hal pilleri (SSB'ler), günlük telefonlarda ve elektrikli araçlarda kullanılan geleneksel Li-ion pillere göre önemli potansiyel avantajlara sahiptir. Bu potansiyel avantajlar arasında daha yüksek enerji yoğunluğu ve daha hızlı şarj yer alıyor. Katı bir elektrolit ayırıcı, yanıcı organik solventlerin bulunmaması nedeniyle daha uzun bir kullanım ömrü, daha geniş bir çalışma sıcaklığı ve daha fazla güvenlik de sağlayabilir. SSB'lerin kritik yönlerinden biri, mikro yapılarının toplu taşımanın neden olduğu boyutsal değişikliklere (gerilimler) karşı stres tepkisidir. Katot parçacıklarındaki bileşimsel gerilimler, sıvı elektrolit pillerde de meydana gelir, ancak SSB'lerde bu gerilimler, genişleyen veya büzülen elektrot parçacıkları ile katı elektrolit arasında temas mekaniği sorunlarına yol açar. Anot tarafında, lityum metal kaplama, katı elektrolit ile arayüzde kendi karmaşık gerilim durumunu yaratır. SSB'lerin kritik bir özelliği, bu tür kaplamaların yalnızca elektrot-elektrolit arayüzünde değil, katı elektrolitin kendi içinde, gözeneklerinin içinde veya tane sınırları boyunca meydana gelebilmesidir. Bu tür sınırlı lityum birikimi, elektrolitte kırılmaları başlatabilecek yüksek hidrostatik strese sahip alanlar yaratır. Her ne kadar SSB'lerdeki arızaların çoğunluğu mekanikten kaynaklansa da, araştırmaların çoğu iyon taşınmasını ve elektrolitlerin elektrokimyasal stabilitesini iyileştirmeye adanmıştır. Bu boşluğu doldurma girişimi olarak, bu incelemede SSB'ler için mekanik bir çerçeve sunuyoruz ve stresin oluşturulduğu, önlendiği ve hafifletildiği mekanizmalara odaklanarak bu alandaki önde gelen araştırmaları inceliyoruz.
İLERLEMELER
Yenilenebilir kaynaklara yönelme, enerji yoğunluğu mevcut pillerin iki katından fazla olan ve 5 dakika veya daha kısa sürede şarj olabilen yeni nesil pillerin geliştirilmesini gerektiriyor. Bu, hem 5-minimum hızlı şarjı kolaylaştırabilecek hem de yüksek enerjinin anahtarı olan Li metal anotları etkinleştirebilecek elektrolitlerin geliştirilmesine yönelik bir yarışa yol açtı. Li metali ve iyonik iletkenlikleri herhangi bir sıvı elektrolitten daha yüksek olan sülfit katı elektrolitleri ile yüksek elektrokimyasal stabiliteye sahip katı elektrolitlerin keşfi, araştırma topluluğunda SSB'lere doğru bir kaymayı teşvik etti. Bu keşifler, SSB'lerin hızlı şarj ve enerji yoğunluğunu iki katına çıkarma vizyonunu mümkün kılabileceği vaadinin tohumunu atmış olsa da, bu vaadin gerçekleşmesi ancak pil malzemelerinin mekanik davranışının iyice anlaşılması ve çok ölçekli mekaniğin SSB'lerin geliştirilmesine entegre edilmesiyle mümkün olabilir. .
GÖRÜNÜM
(i) katı bir elektrolit yüzeyinde tekdüze olmayan lityum kaplama ve katı elektrolit içinde lityum metalinin birikmesi; (ii) elektrot temaslarında ve ayrıca tane sınırlarında meydana gelen elektrokimyasal döngü ile ilişkili hacim değişikliklerinin bir sonucu olarak hücre içindeki arayüzey temasının kaybı; ve (iii) çok ince bir katı elektrolite ve bağlayıcılar ve yapısal destekler de dahil olmak üzere minimum aktif olmayan bileşenlere sahip SSB'ler oluşturmaya yönelik üretim süreçleri. Mekanik bu sorunları birbirine bağlayan ortak bir paydadır. Metalik lityumun seramik katı elektrolitin yüzeyinde birikmesi ve hacim kusurları, metalik lityumun çatlaklara daha fazla yayılmasıyla elektrolitin kırılmasına yol açabilen lokal yüksek gerilimlere neden olur. Üretimde, minimum gereksinim olarak katot-elektrolit yığınlarının, ekipmanın uyguladığı kuvvetlere dayanabilecek yeterli dayanıklılığa sahip olması gerekir. SSB malzemelerinin mekaniğinin daha iyi anlaşılması, katı elektrolitlerin, katotların, anotların ve hücre mimarilerinin yanı sıra pil üretimi ve işletimindeki stresi yönetmek için tasarlanmış pil paketlerinin geliştirilmesine de aktarılacaktır.
Şekil 1 Lityum metal katı hal pillerinin, mekaniğinin ve taşıma olaylarının şematik diyagramı.
Şekil 2 Lityum metalin uzunluk ölçeği ve hıza bağlı mekaniği.
Şekil 3 Plastisite, amorf malzemelerde yoğunlaşma ve kayma akışıyla tetiklenir ve kristal seramiklerde dislokasyonların oluşmasıyla sertleşir, böylece kırılma önlenir.
Şekil 4 LiPON'da deformasyonun iyileşmesi, nanoindentasyonun döngüsel yüklenmesi sırasında histerezis benzeri davranışla sonuçlanır.
Şekil 5 Kompozit katı katodun yorulma hasarı.
Şekil 6 Katı elektrolit yoluyla lityum yayılımının şematik diyagramı.
