与用于日常手机和电动汽车的传统锂离子电池相比,固态电池(SSBs)具有重要的潜在优势。在这些潜在优势中,有更高的能量密度和更快的充电速度。由于没有易燃有机溶剂,固体电解质分离器还可以提供更长的寿命、更宽的工作温度和更高的安全性。SSBs的一个关键方面是其微观结构对质量传输驱动的尺寸变化(应变)的应力响应。
在液体电解质电池中,正极颗粒中也存在成分应变,但在SSBs中,这些应变导致膨胀或收缩的电极颗粒与固体电解质之间的接触力学问题。在阳极侧,锂金属的电镀在与固体电解质的界面上产生了自己的复杂应力状态。SSBs的一个关键特征是,这种电镀不仅可以发生在电极-电解质界面上,而且可以发生在固体电解质本身、气孔内或沿晶界。这种受限的锂沉积形成了具有高静水压应力的区域,能够在电解质中引发破裂。尽管SSBs中的大多数故障是由机械驱动的,但大多数研究都致力于改善电解质的离子传输和电化学稳定性。
为了弥补这一差距,在这篇综述中,美国橡树岭国家实验室Sergiy Kalnaus提出了SSB的力学框架,并审查了该领域的领先研究,重点是压力产生、预防和缓解的机制。相关论文以“Solid-state batteries: The critical role of mechanics”为题,发表在Science。
具有高电化学稳定性的固体电解质与锂金属和离子电导率高于任何液体电解质的硫化物固体电解质的发现,促使研究界转向SSBs。尽管这些发现已经播下了SSBs可以实现快速充电和能量密度加倍的愿景,但只有彻底了解电池材料的机械行为并且将多尺度力学集成到SSBs的开发中,才能实现这一承诺。







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