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】當電流流過電池時，電池內部的材料會逐漸磨損。應力和應變的物理力量也在這個過程中發(fā)揮作用，但它們對電池性能和壽命的確切影響目前尚不完全清楚。因此，美國能源部橡樹嶺國家實驗室決定“另辟蹊徑”，開發(fā)了一個設計固態(tài)電池（SSB）的框架，重點考慮到了其中的力學問題，而非一般研究中的電化學性質。最新研究結果已于近期發(fā)表在了《科學》雜志上。
當電流流過電池時，電池內部的材料會逐漸磨損。應力和應變的物理力量也在這個過程中發(fā)揮作用，但它們對電池性能和壽命的確切影響目前尚不完全清楚。
因此，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，簡稱ORNL）決定“另辟蹊徑”，開發(fā)了一個設計固態(tài)電池（SSB）的框架，重點考慮到了其中的力學問題，而非一般研究中的電化學性質。最新研究結果已于近期發(fā)表在了《科學》雜志上。
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“我們的目標是強調力學在電池性能中的重要性，”ORNL多物理場建模和流動小組的科學家Sergiy Kalnaus說，“許多研究都集中在化學或電學性質上，但卻忽視了其潛在的力學機制。”
據悉，該團隊橫跨ORNL的幾個研究領域，包括計算、化學和材料科學。他們的綜述通過使用科學領域的觀點，對影響SSB的條件描繪了一幅更具凝聚力的畫面。
固體電解質
在電池中，帶電粒子會流過被稱為電解質的材料。這些電解質大多數是液體，比如電動汽車中的鋰離子電池，但固體電解質也在開發(fā)中。這些導體通常由玻璃或陶瓷制成，可以提供諸如增強安全性和強度等優(yōu)點。
“真正的固態(tài)電池內部沒有易燃液體，”Kalnaus說：“這意味著它們比目前常用的電池危險更小。”
發(fā)展固態(tài)電池的挑戰(zhàn)
然而，由于與這些新材料相關的挑戰(zhàn)，固體電解質仍處于發(fā)展的早期階段。
具體而言，SSB組件在電荷和質量傳輸過程中膨脹和收縮，從而會改變整體系統(tǒng)。電極在電池運行過程中不斷變形，在與固體電解質的界面上產生分層和空隙，在當今的系統(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，這些尺寸變化會損壞由脆性材料制成的固體電解質，它們經常因應力和壓力而斷裂。使這些材料更具延展性，將使它們能夠通過流動而不是破裂來承受應力。這種行為可以通過將小的晶體缺陷引入陶瓷電解質的一些技術來實現。
未來構思
據了解，電子通過陽極離開系統(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，但它也會產生壓力，從而損壞電解質。
“在充電過程中，鍍層不均勻和缺乏應力消除機制會造成應力集中。”ORNL機械性能和力學小組的負責人Erik Herbert說：“為了優(yōu)化SSB的性能和壽命，我們需要設計下一代陽極和固體電解質，以保持機械穩(wěn)定的界面，而不會破壞固體電解質隔膜。”
事實上，該團隊的工作是ORNL研究SSB材料的悠久歷史的一部分。在20世紀90年代初，一種被稱為氧化磷鋰（LiPON）的玻璃狀電解質在實驗室被開發(fā)出來。
LiPON已被廣泛用作具有金屬鋰陽極的薄膜電池的電解質。該組件可以承受許多充放電循環(huán)而不會失效，主要是由于LiPON的延展性。當遇到機械應力時，它會流動而不是開裂。
研究人員說，“近年來，我們了解到LiPON具有強大的機械性能，以補充其化學和電化學耐久性。在我們的論文中，我們概述了固態(tài)電解質材料的力學，鼓勵科學家在設計新電池時考慮這些。”
【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】當電流流過電池時，電池內部的材料會逐漸磨損。應力和應變的物理力量也在這個過程中發(fā)揮作用，但它們對電池性能和壽命的確切影響目前尚不完全清楚。因此，美國能源部橡樹嶺國家實驗室決定“另辟蹊徑”，開發(fā)了一個設計固態(tài)電池（SSB）的框架，重點考慮到了其中的力學問題，而非一般研究中的電化學性質。最新研究結果已于近期發(fā)表在了《科學》雜志上。
當電流流過電池時，電池內部的材料會逐漸磨損。應力和應變的物理力量也在這個過程中發(fā)揮作用，但它們對電池性能和壽命的確切影響目前尚不完全清楚。
因此，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，簡稱ORNL）決定“另辟蹊徑”，開發(fā)了一個設計固態(tài)電池（SSB）的框架，重點考慮到了其中的力學問題，而非一般研究中的電化學性質。最新研究結果已于近期發(fā)表在了《科學》雜志上。
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“我們的目標是強調力學在電池性能中的重要性，”ORNL多物理場建模和流動小組的科學家Sergiy Kalnaus說，“許多研究都集中在化學或電學性質上，但卻忽視了其潛在的力學機制。”
據悉，該團隊橫跨ORNL的幾個研究領域，包括計算、化學和材料科學。他們的綜述通過使用科學領域的觀點，對影響SSB的條件描繪了一幅更具凝聚力的畫面。
固體電解質
在電池中，帶電粒子會流過被稱為電解質的材料。這些電解質大多數是液體，比如電動汽車中的鋰離子電池，但固體電解質也在開發(fā)中。這些導體通常由玻璃或陶瓷制成，可以提供諸如增強安全性和強度等優(yōu)點。
“真正的固態(tài)電池內部沒有易燃液體，”Kalnaus說：“這意味著它們比目前常用的電池危險更小。”
發(fā)展固態(tài)電池的挑戰(zhàn)
然而，由于與這些新材料相關的挑戰(zhàn)，固體電解質仍處于發(fā)展的早期階段。
具體而言，SSB組件在電荷和質量傳輸過程中膨脹和收縮，從而會改變整體系統(tǒng)。電極在電池運行過程中不斷變形，在與固體電解質的界面上產生分層和空隙，在當今的系統(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，這些尺寸變化會損壞由脆性材料制成的固體電解質，它們經常因應力和壓力而斷裂。使這些材料更具延展性，將使它們能夠通過流動而不是破裂來承受應力。這種行為可以通過將小的晶體缺陷引入陶瓷電解質的一些技術來實現。
未來構思
據了解，電子通過陽極離開系統(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，但它也會產生壓力，從而損壞電解質。
“在充電過程中，鍍層不均勻和缺乏應力消除機制會造成應力集中。”ORNL機械性能和力學小組的負責人Erik Herbert說：“為了優(yōu)化SSB的性能和壽命，我們需要設計下一代陽極和固體電解質，以保持機械穩(wěn)定的界面，而不會破壞固體電解質隔膜。”
事實上，該團隊的工作是ORNL研究SSB材料的悠久歷史的一部分。在20世紀90年代初，一種被稱為氧化磷鋰（LiPON）的玻璃狀電解質在實驗室被開發(fā)出來。
LiPON已被廣泛用作具有金屬鋰陽極的薄膜電池的電解質。該組件可以承受許多充放電循環(huán)而不會失效，主要是由于LiPON的延展性。當遇到機械應力時，它會流動而不是開裂。
研究人員說，“近年來，我們了解到LiPON具有強大的機械性能，以補充其化學和電化學耐久性。在我們的論文中，我們概述了固態(tài)電解質材料的力學，鼓勵科學家在設計新電池時考慮這些。”
