新论文回顾力学因素如何改变固态电池的循环过程

新论文回顾力学因素如何改变固态电池的循环过程该图像概念化了固态锂电池玻璃离子导体的加工、结构和机械行为。图片来源：AdamMalin/ORNL，美国能源部"我们的目标是强调力学在电池性能中的重要性，"ORNL多物理场建模与流动小组的科学家SergiyKalnaus说。"很多研究都侧重于化学或电学特性，却忽略了显示潜在的力学特性。"该团队横跨ORNL的多个研究领域，包括计算、化学和材料科学。他们从不同的科学视角出发，对影响SSB的各种条件进行了综合研究，从而描绘出一幅更具凝聚力的图景。Kalnaus说："我们正在努力弥合学科之间的鸿沟。"固体电解质：更安全、更坚固的替代品在电池中，带电粒子流经称为电解质的材料。大多数电解质都是液体，如电动汽车中的锂离子电池，但固体电解质也正在开发中。这些导体通常由玻璃或陶瓷制成，具有更高的安全性和强度等优点。Kalnaus说："真正的固态电池内部没有易燃液体。这意味着它们的危险性低于目前常用的电池。"然而，由于这些新型材料所面临的挑战，固态电解质仍处于早期开发阶段。固态电池组件在充电和质量传输过程中会膨胀和收缩，从而改变系统。电极在电池运行过程中不断变形，在与固体电解质的界面处产生分层和空隙。"在当今的系统中，最好的解决办法是施加大量压力，使所有东西保持在一起。这些尺寸变化会损坏固体电解质，因为固体电解质是由脆性材料制成的。它们经常在应变和压力作用下破裂。如果能使这些材料更具延展性，它们就能通过流动而不是开裂来承受压力。通过一些在陶瓷电解质中引入小晶体缺陷的技术，可以实现这种行为。工程阳极和固体电解质电子通过阳极离开系统。在固态电池中，阳极可由能量密度最高的纯锂金属制成。虽然这种材料在电池功率方面具有优势，但它也会产生压力，从而损坏电解质。"在充电过程中，不均匀的电镀和应力消除机制的缺失会造成应力集中。这些应力集中会产生很大的压力，导致锂金属流动，"ORNL的机械性能和力学小组组长ErikHerbert说。"为了优化固态电解质分离器的性能和寿命，我们需要设计下一代阳极和固态电解质，使其能够在固态电解质分离器不断裂的情况下保持界面的机械稳定性。"该团队的工作是ORNL长期研究SSB材料历史的一部分。20世纪90年代初，该实验室开发出一种被称为氧化磷锂（或LiPON）的玻璃电解质。锂磷氧化物已被广泛用作薄膜电池的电解质，这种电池具有金属锂阳极。这种元件可以承受多次充放电循环而不发生故障，这主要归功于LiPON的延展性。当遇到机械应力时，它会流动而不是开裂。"近年来，我们了解到LiPON具有强大的机械性能，可以补充其化学和电化学耐久性，"领导该材料开发团队的ORNL科学家NancyDudney说。该团队的努力凸显了SSB研究不足的一个方面--了解影响SSB寿命和功效的因素。"Kalnaus说："科学界需要一个路线图。在我们的论文中，我们概述了固态电解质的材料力学，鼓励科学家在设计新型电池时考虑这些因素。"参考文献"固态电池：力学的关键作用"，作者：SergiyKalnaus、NancyJ.Dudney、AndrewS.Westover、ErikHerbert和SteveHackney，2023年9月22日，《科学》。DOI:10.1126/science.abg5998编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1403615.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1403615.htm

新型锂金属氯化物固态电解质设计可为电池行业带来变革

新型锂金属氯化物固态电解质设计可为电池行业带来变革固态电解质的必要性目前的商用电池亟需解决的一个问题是对液态电解质的依赖，而液态电解质存在易燃和爆炸的风险。因此，开发不可燃的固体电解质对于推动固态电池技术的发展至关重要。在全球向可持续交通转变的过程中，全世界都在加紧管制内燃机汽车并扩大电动汽车的使用，因此，对二次电池核心部件，尤其是固态电池的研究取得了显著的进展。金属离子（本例中为钇）在各层中的排列会影响离子导电性。为确保锂离子畅通无阻地移动，每层中占据可用位置的金属离子数量应少于0.444。此外，要在每一层中为锂离子创造足够宽的通道，金属离子的占有率应大于0.167。因此，每层内金属离子的占有率应介于0.167和0.444之间，这样才能形成具有高离子电导率的导电层。资料来源：基础科学研究所要使固态电池在日常使用中切实可行，关键是要开发出具有高离子导电性、强大的化学和电化学稳定性以及机械灵活性的材料。虽然之前的研究成功地开发出了具有高离子电导率的硫化物和氧化物基固体电解质，但这些材料都不能完全满足所有这些基本要求。氯化物基固体电解质的研究进展过去，科学家们也曾对氯化物基固体电解质进行过探索。氯化物基固体电解质以其卓越的离子导电性、机械柔韧性和高电压稳定性而著称。这些特性使一些人推测氯化物电池最有可能成为固态电池。然而，这些希望很快就破灭了，因为氯化物电池严重依赖昂贵的稀土金属（包括钇、钪和镧系元素）作为辅助成分，因此被认为是不切实际的。为了解决这些问题，IBS研究小组研究了金属离子在氯化物电解质中的分布。他们认为，三元氯化物电解质之所以能达到较低的离子电导率，是基于结构中金属离子排列的变化。他们首先在氯化锂钇（一种常见的氯化锂金属化合物）上测试了这一理论。当金属离子位于锂离子通路附近时，静电力会阻碍锂离子的移动。相反，如果金属离子的占有率过低，锂离子的移动路径就会变得过于狭窄，从而阻碍锂离子的移动。基于这些见解，研究小组引入了设计电解质的策略，以缓解这些相互冲突的因素，最终成功开发出一种具有高离子电导率的固体电解质。研究小组还进一步成功地展示了这一策略，创造出一种基于锆的锂金属氯化物固态电池，其成本远远低于采用稀土金属的变体。这是首次证明金属离子排列对材料离子导电性的重要影响。金属离子分布的影响这项研究揭示了金属离子分布在氯基固体电解质离子电导率中经常被忽视的作用。预计IBS中心的研究将为各种氯基固体电解质的开发铺平道路，并进一步推动固态电池的商业化，有望提高能源存储的经济性和安全性。通讯作者KangKisuk说："这种新发现的氯化物基固体电解质有望突破传统硫化物和氧化物基固体电解质的限制，使我们离固态电池的广泛应用更近了一步。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1394587.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1394587.htm

Science：固态电池未决 研究材料力学

Science：固态电池未决研究材料力学为什么要研究力学结构？要怎么了解不同材料下固态电池的力学结构？因为力学结构导致固态电池失效，又有什么对应的解决办法？来自美国橡树岭国家实验室和密歇根理工大学的五位作者，详细解答了这些问题。固态电池中力学的关键作用既然需要关注固态电池的力学结构，那么如何评估和设计呢？论文提供了一个理解和设计力学结构可靠的固态电池的框架。该框架包括三个方面：1、识别和理解该固态电池中局部应变的来源；2、了解这种应力，特别是在电池界面处，以及电池材料对这些应力的响应；3、设计具有所需应力和应变演变的电池材料和电池单元。其中，应力是材料受到的外力大小，应变是指材料在受到外力时的形变程度。以固态电解质为例，众所周知，固态锂电池比液态锂电池更安全的关键因素是，固态电池中的固态电解质可以有效抑制锂枝晶的生长。锂枝晶而不同的固态电解质材料对锂枝晶抑制效果也存在不同，评估抑制效果好坏的一个标准就是该材料的应力和应变。如果这种固态电解质即使受到很大的应力，也不易发生弹性形变，比如氧化物电解质，这意味着这种固态电解质材料能有效抑制锂枝晶生长；但同时，氧化物电解质的硬度和刚度很高，更有可能发生断裂等情况，影响固态电池的性能。应力-应变的关系曲线，来源参考论文2所以，在选择固态电解质时选择各项性能更平衡的材料，更有利于提高固态电池的性能和使用寿命。这也是为什么需要研究固态锂电池的力学结构。固态锂电池的充放电过程伴随着阴阳极体积的变化，比如阴极中的晶格拉伸和扭曲以及阳极中的金属锂沉积。固态锂电池中对应的力学和传递现象而液态锂电池得益于液态电解质，阴阳极体积变化不会影响电池内部的受力结构，但因为固态锂电池中固态含量较高，阴阳极体积的改变可能会影响固态锂电池的稳定性。假如阳极某一处锂沉积过多，会导致该处的应力增大。假如应力超过了固态电解质承受的极限，材料形变过大（也就是应变程度），会有材料断裂、粉化等风险。所以，材料的力学性质的变化会影响材料的电化学性质，进而导致电池性能恶化甚至失效。除了固态电解质，电极的组成成分（活性物质、粘结剂、导电剂等），所使用的材料也会影响到电池的力学结构，这篇论文提供的框架可以用来研究这些材料的力学特性。作者希望通过这篇论文能更方便研究人员理解固态电池发生故障的潜在原因，同时论文也给出了这些问题的解决方案。包括：根据长度尺度、温度和应变速率（电流密度）来研究锂金属的应力缓解机制；根据长度尺度、温度和应变速率来研究陶瓷、玻璃和非晶陶瓷的应力缓解机制；讨论陶瓷、玻璃电解质的工程延展性；设计一种锂金属阳极，既能消除锂金属的不均匀沉积和剥离，也能缓解锂-电解质界面的应力；设计一种阴极活性材料，具有零循环应变、抗断裂的特点，或者具有一定的延展性；设计一种复合阴极，实现应变最小化、应力释放最大化；进行详细建模，以描述固态电池中应力和应变的演变，包括长度尺度效应（length-scaleeffects）、摩擦（friction）、粘附（adhesion）和蠕变（creep）。那么，又是谁完成了这篇论文？论文作者简介论文一作为SergiyKalnaus，来自美国橡树岭国家实验室，是计算科学与工程部的高级研究员。SergiyKalnaus拥有内华达大学机械工程博士学位，曾获得美国能源部颁发的科学技术杰出贡献奖。另外还拥有四项专利，其中三项关于电解质，一项关于电极浆料，发表过34篇论文，被引次数为3195次。论文作者还包括NancyJ.Dudney，同样来自橡树岭国家实验室，是化学科学部院士及小组组长。NancyJ.Dudney本科就读于威廉玛丽学院化学专业，毕业后直接升入麻省理工学院陶瓷工程学院，并完成博士学位。曾获得美国能源部颁发的杰出发明家称号，获得大大小小超13个奖项，拥有超过14项专利，目前正在研究混合动力汽车电池的新型材料。论文作者还有同样来自化学科学部的AndrewS.Westover，是该部门的材料科学家。AndrewS.Westover已经在《ACS能源快报》、《材料化学》等多个期刊上发表超25篇论文，其中还包括电化学三大顶刊之一电化学学会杂志JES，被引次数达到3292次。目标是实现下一代能源存储，包括固态锂电池。论文的作者还有ErikHerbert，来自橡树岭国家实验室材料科学与技术部。ErikHerbert同时还是密歇根理工大学，材料科学与工程专业的兼职教授，在田纳西大学取得材料科学与工程的博士学位。一共发表14篇论文，被引次数达到4288次。论文的最后一位作者是SteveHackney，是密歇根理工大学的材料科学与工程专业的全职教授。SteveHackney本科就读于詹姆斯麦迪逊大学化学专业，硕士和博士均就读于弗吉尼亚大学材料科学专业，研究方向包括锂离子电池、陶瓷电池材料、电池薄膜和纳米结构等。本文从固态电池领域的领先研究出发，系统地提出了固态电池的力学结构框架，重点关注应力的产生、预防和缓解机制，提出了多个解决方案。当下大多数固态电池研究都致力于改善电解质的离子传输速率和电化学稳定性，这篇论文则弥补了这一差距，也有利于开发能量密度更高、性能更优、更安全稳定的固态电池。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1386851.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1386851.htm

采用新型电沉积方法的全固态电池技术取得突破

采用新型电沉积方法的全固态电池技术取得突破通过底部电沉积机制稳定锂金属阳极全固态电池的示意图。资料来源：POSTECH应对电池安全挑战在电动汽车和储能系统等各种应用中，二次电池通常依赖于液态电解质。然而，液态电解质的易燃性带来了火灾风险。这促使人们不断努力探索在全固态电池中使用固态电解质和金属锂（Li），从而提供更安全的选择。在全固态电池的运行过程中，锂被镀在阳极上，利用电子的运动产生电力。在充电和放电过程中，锂金属会经历失去电子、转化为离子、重新获得电子和电沉积回金属形态的循环过程。然而，锂的任意电沉积会迅速耗尽可用的锂，导致电池的性能和耐用性大幅降低。阳极保护的创新为解决这一问题，研究团队与浦项制铁N.EX.THub合作开发了一种由功能粘合剂（PVA-g-PAA）[2]组成的全固态电池阳极保护层。该层具有优异的锂转移特性，可防止随机电沉积并促进"底部电沉积"过程。这可确保锂从阳极表面底部均匀沉积。研究小组利用扫描电子显微镜（SEM）进行了分析，证实了锂离子的稳定电沉积和分离[3]。这大大减少了不必要的锂消耗。研究小组开发的全固态电池还证明，即使锂金属薄至10微米（μm）或更薄，也能长时间保持稳定的电化学性能。领导这项研究的SoojinPark教授表达了他的承诺，他说："我们通过一种新颖的电沉积策略设计出了一种持久的全固态电池系统。通过进一步研究，我们的目标是提供更有效的方法来提高电池寿命和能量密度。在合作研究成果的基础上，浦项制铁控股公司计划推进锂金属阳极的商业化，这是下一代二次电池的核心材料。"说明电沉积通过电解液中的电流将金属沉积到浸没在电解液中的电极上的方法PVA-g-PAA聚（乙烯醇）-接枝-聚（丙烯酸）脱离脱离或分离，金属锂失去电子并转化为锂离子的现象编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424772.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424772.htm

人工固态电解质层（ASEI）的发明有望在未来全面提高电池的功能和寿命

人工固态电解质层（ASEI）的发明有望在未来全面提高电池的功能和寿命金属锂因其能量密度优于其他材料而被选为电池阳极，这是一个明智的选择。然而，电极与电解液之间的界面存在挑战，这为在未来应用中实现更安全、更高效的性能提供了改进机会。金属锂阳极的挑战和解决方案清华大学的研究人员一开始热衷于用金属锂阳极取代石墨阳极，以构建能量密度更高的电池系统。然而，锂金属并不稳定，很容易与电解质发生反应，形成固体-电解质相（SEI）。遗憾的是，天然的SEI既脆又易碎，因此寿命和性能都很差。在此，研究人员研究了一种天然SEI的替代品，它可以有效缓解电池系统内的副反应。答案就是ASEI：人工固态电解质相。ASEI纠正了困扰裸锂金属阳极的一些问题，使其成为更安全、更可靠、甚至更强大的电源，可更放心地用于电动汽车和其他类似应用。研究成果的发表和意义9月25日，研究人员在《能源材料与器件》（EnergyMaterialsandDevices）杂志上发表了他们的研究成果。电池技术正在彻底改变我们的生活方式，与每个人的生活息息相关。为了实现真正的无碳经济，需要性能更好的电池来取代目前的锂离子电池。每个楔形层由不同的电极-电解质界面结构组成，有助于对锂金属电极进行实用的全面设计。资料来源：王艳艳，阿德莱德大学锂金属电池（LMB）就是这样一种候选电池。然而，阳极（金属锂）与电解质具有反应性，在电池运行过程中会在金属锂表面形成钝化层，即固体-电解质间相。锂金属阳极的另一个问题是电池充电时出现的所谓"枝晶生长"。枝晶看起来像树枝结构，会造成电池内部损坏，刺穿隔膜导致短路、性能不佳和潜在的安全隐患。这些弱点降低了锂金属电池板的实用性，并提出了一些必须解决的挑战。改进锂金属阳极的策略上文介绍了一些可用于制造更有效、更安全的锂金属阳极的策略。研究人员发现，要改进锂金属阳极，必须使锂离子分布均匀，这有助于减少电池负电荷区域的沉积物。这反过来又会减少枝晶的形成，从而防止过早衰变和短路。此外，在确保各层电绝缘的同时，为锂离子扩散提供更便捷的途径，有助于在电池循环过程中保持结构的物理和化学完整性。最重要的是，减少电极与电解液界面之间的应变可确保各层之间的适当连接，而这正是电池功能的重要组成部分。ASEI层的潜力和未来方向看来最有潜力的策略是聚合物ASEI层和无机-有机混合ASEI层。聚合物层在设计上有足够的可调节性，强度和弹性都很容易调节。聚合物层还具有与电解质相似的官能团，因此具有极高的兼容性；而这种兼容性正是其他元件所缺乏的主要方面之一。无机-有机混合层的最大优点是减少了层厚度，明显改善了层内成分的分布，从而提高了电池的整体性能。ASEI层的前景是光明的，但也需要一些改进。研究人员主要希望改善ASEI层在金属表面的附着力，从而全面提高电池的功能和寿命。需要注意的其他方面还有：层内结构和化学成分的稳定性，以及尽量减小层的厚度以提高金属电极的能量密度。一旦这些问题得到解决，改进型锂金属电池的前路就会一片光明。了解更多：https://doi.org/10.26599/EMD.2023.9370005...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1397963.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1397963.htm

麻省理工学院的新发现可以让枝晶无害化 带来更安全、更轻的锂电池

麻省理工学院的新发现可以让枝晶无害化带来更安全、更轻的锂电池这一潜在的电池技术飞跃的关键是用更薄、更轻的固体陶瓷材料层取代位于正负电极之间的液体电解质，并用固体金属锂取代其中一个电极。这将大大减少电池的整体尺寸和重量，并消除与液体电解质相关的安全风险，因为液体电解质是易燃的。但是这一探索一直被一个大问题所困扰：枝晶。枝晶的名称来自拉丁文的树枝，它是金属的突起，可以在锂的表面堆积，并渗透到固体电解质中，最终从一个电极穿越到另一个电极，使电池单元短路。研究人员一直未能就产生这些金属丝的原因达成一致，在如何防止这些金属丝，从而使轻质固态电池成为一种实用的选择方面也没有什么进展。最近，麻省理工学院教授Yet-MingChiang、研究生ColeFincher以及麻省理工学院和布朗大学的其他五人在《焦耳》杂志上发表了一篇新的研究，似乎解决了什么导致枝晶形成的问题。它还显示了如何防止树枝状突起穿过电解质。Chiang说，在该小组的早期工作中，他们有一个"令人惊讶和意外"的发现，即固态电池所使用的坚硬的固体电解质材料在电池充电和放电的过程中，由于锂离子在双方之间移动，可以被锂穿透，而锂是一种非常柔软的金属。离子的这种来回穿梭导致电极的体积变化。这不可避免地导致固体电解质的应力，它必须与夹在中间的两个电极保持完全接触。"为了沉积这种金属，体积必须扩大，因为你在增加新的质量，因此，在锂被沉积的电池一侧体积会增加。如果有哪怕是微小的缺陷存在，这将对这些缺陷产生压力，从而导致开裂。"该团队现在已经表明，这些压力会导致裂缝，使枝晶形成。这个问题一贯以来的解决方案是以正确的方向和适量的力施加更多的压力。虽然以前一些研究人员认为枝晶是由一个纯粹的电化学过程形成的，而不是一个机械过程，但该团队的实验证明，是机械应力导致了这个问题。枝晶的形成过程通常发生在电池单元不透明材料的深处，无法直接观察到，因此芬奇开发了一种使用透明电解质制造薄电池的方法，使整个过程可以直接看到和记录。这样一来在解决问题的过程中可以看到对系统施加压力时发生了什么，可以看到枝晶的行为是否与腐蚀过程或断裂过程相称。研究小组证明，他们可以直接操纵枝晶的生长，只需施加和释放压力，使枝晶与力的方向完全一致。对固体电解质施加机械压力并不能消除枝晶的形成，但它确实控制了它们的生长方向。这意味着它们可以被引导到与两个电极保持平行，并防止它们跨越到另一侧，从而变得无害。在他们的测试中，研究人员使用了通过弯曲材料而产生的压力，这些材料被制成了一端有重量的梁。但他们说，在实践中，可能有许多不同的方式来产生所需的压力。例如，电解质可以用两层具有不同热膨胀量的材料制成，这样就有了材料固有的弯曲，就像在一些恒温器中做的那样。另一种方法是在材料中"掺入"原子，这些原子会嵌入材料中，使其变形，并使其处于永久受压状态。Chiang解释说，这与生产智能手机和平板电脑屏幕中使用的超硬玻璃的方法相同。而且所需的压力量并不极端：实验表明，150至200兆帕的压力足以阻止枝晶质穿过电解质。所需的压力"与商业薄膜生长过程和许多其他制造过程中通常引起的压力相称"，因此在实践中应该不难实现。事实上，一种不同的压力，称为堆积压力经常被应用于电池单元，通过在垂直于电池板的方向上挤压材料--有点像通过在上面放一个重物来压缩一个三明治。人们认为这可能有助于防止电池层的分离。但现在的实验表明，该方向的压力实际上加剧了枝晶的形成，实际上加速了枝晶引起的电池劣化。相反，需要的是沿板材平面的压力，就像夹层从侧面被挤压一样。当施加一个压缩力时，可以迫使枝晶沿着压缩的方向移动，如果这个方向是沿着板的平面，枝晶将永远不会到达另一边。这可能最终使使用固体电解质和金属锂电极生产电池成为现实。这些电池不仅可以在给定的体积和重量中储存更多的能量，而且还可以消除对液体电解质的需求，因为液体电解质是易燃材料。在证明了相关的基本原理之后，该团队的下一步将是尝试将这些原理应用于创建一个功能性的原型电池，然后弄清楚需要什么样的制造工艺才能大量生产这种电池。尽管他们已经申请了专利，但研究人员并不打算自己将该系统商业化，他说，因为已经有公司在开发固态电池。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1338655.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1338655.htm