Festkörperbatterien: Die entscheidende Rolle der Mechanik

Sergiy Kalnaus et al. Festkörperbatterien: Die entscheidende Rolle der Mechanik. Wissenschaft. 381, 1300 (2023).

Festkörperbatterien mit Lithium-Metallanoden bieten das Potenzial für eine höhere Energiedichte, eine längere Lebensdauer, einen größeren Betriebstemperaturbereich und eine erhöhte Sicherheit. Obwohl sich der Großteil der Forschung auf die Verbesserung der Transportkinetik und der elektrochemischen Stabilität der Materialien und Grenzflächen konzentriert, gibt es auch kritische Herausforderungen, die eine Untersuchung der Mechanik von Materialien erfordern. Bei Batterien mit Feststoff-Festkörper-Grenzflächen sind mechanische Kontakte und die Entwicklung von Spannungen während des Betriebs der Feststoffbatterien ebenso entscheidend wie die elektrochemische Stabilität, um einen gleichmäßigen Ladungstransfer an diesen Grenzflächen aufrechtzuerhalten. Diese Übersicht konzentriert sich auf Stress und Belastung, die aus normalen und längeren Batteriezyklen resultieren, und auf die damit verbundenen Mechanismen zum Stressabbau, von denen einige zum Ausfall dieser Batterien führen.

HINTERGRUND

Festkörperbatterien (SSBs) bieten wichtige potenzielle Vorteile gegenüber herkömmlichen Li-Ionen-Batterien, die in alltäglichen Telefonen und Elektrofahrzeugen verwendet werden. Zu diesen potenziellen Vorteilen gehören eine höhere Energiedichte und ein schnelleres Laden. Ein Festelektrolyt-Separator kann aufgrund des Fehlens brennbarer organischer Lösungsmittel auch eine längere Lebensdauer, eine größere Betriebstemperatur und eine erhöhte Sicherheit bieten. Einer der kritischen Aspekte von SSBs ist die Spannungsreaktion ihrer Mikrostruktur auf Dimensionsänderungen (Dehnungen), die durch den Massentransport verursacht werden. Die Zusammensetzungsspannungen in Kathodenpartikeln treten auch in Flüssigelektrolytbatterien auf, aber in SSBs führen diese Spannungen zu Kontaktmechanikproblemen zwischen sich ausdehnenden oder zusammenziehenden Elektrodenpartikeln und dem Festelektrolyten. Auf der Anodenseite erzeugt die Plattierung von Lithiummetall einen eigenen komplexen Spannungszustand an der Grenzfläche zum Festelektrolyten. Ein entscheidendes Merkmal von SSBs besteht darin, dass eine solche Beschichtung nicht nur an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt, sondern auch im Festelektrolyten selbst, in seinen Poren oder entlang der Korngrenzen erfolgen kann. Durch eine solche begrenzte Lithiumablagerung entstehen Bereiche mit hoher hydrostatischer Belastung, die zu Brüchen im Elektrolyten führen können. Obwohl die meisten Ausfälle in SSBs mechanisch bedingt sind, widmet sich der Großteil der Forschung der Verbesserung des Ionentransports und der elektrochemischen Stabilität von Elektrolyten. Um diese Lücke zu schließen, präsentieren wir in diesem Aufsatz einen mechanischen Rahmen für SSBs und untersuchen führende Forschungsergebnisse auf diesem Gebiet, wobei wir uns auf die Mechanismen konzentrieren, durch die Stress erzeugt, verhindert und gelindert wird.

VORSCHRIFTEN

Der Vorstoß zu erneuerbaren Ressourcen erfordert die Entwicklung von Batterien der nächsten Generation mit einer Energiedichte, die mehr als doppelt so hoch ist wie die aktueller Batterien, und die in 5 Minuten oder weniger aufgeladen werden kann. Dies hat zu einem Wettlauf um die Entwicklung von Elektrolyten geführt, die sowohl ein 5-minütiges Schnellladen ermöglichen als auch Li-Metallanoden ermöglichen – den Schlüssel zu hoher Energie. Die Entdeckung von Festelektrolyten mit hoher elektrochemischer Stabilität mit Li-Metall und Sulfid-Festelektrolyten mit höheren Ionenleitfähigkeiten als jeder andere Flüssigelektrolyt hat in der Forschungsgemeinschaft zu einer Verlagerung hin zu SSBs geführt. Obwohl diese Entdeckungen das Versprechen geweckt haben, dass SSBs die Vision eines schnellen Ladens und einer Verdoppelung der Energiedichte ermöglichen können, ist die Verwirklichung dieses Versprechens nur möglich, wenn das mechanische Verhalten von Batteriematerialien gründlich verstanden wird und Multiskalenmechanik in die Entwicklung von SSBs integriert wird .

AUSBLICK

Mehrere zentrale Herausforderungen müssen angegangen werden, darunter (i) ungleichmäßige Lithiumbeschichtung auf einer Festelektrolytoberfläche und Ablagerung von Lithiummetall innerhalb des Festelektrolyten; (ii) Verlust des Grenzflächenkontakts innerhalb der Zelle als Folge der Volumenänderungen, die mit dem elektrochemischen Kreislauf verbunden sind, der an Elektrodenkontakten und auch an Korngrenzen auftritt; und (iii) Herstellungsverfahren zur Bildung von SSBs mit einem sehr dünnen Festelektrolyten und einem Minimum an inaktiven Komponenten, einschließlich Bindemitteln und Strukturträgern. Die Mechanik ist ein gemeinsamer Nenner, der diese Probleme verbindet. Die Ablagerung von metallischem Lithium in den Oberflächen- und Volumendefekten eines keramischen Festelektrolyten führt zu lokal hohen Spannungen, die zum Bruch des Elektrolyten und zur weiteren Ausbreitung von metallischem Lithium in die Risse führen können. Als Mindestanforderung bei der Herstellung müssen die Kathoden-Elektrolyt-Stacks über eine ausreichende Festigkeit verfügen, um den von der Anlage ausgeübten Kräften standzuhalten. Ein besseres Verständnis der Mechanik von SSB-Materialienwird auf die Entwicklung von Festelektrolyten, Kathoden, Anoden und Zellarchitekturen sowie Batteriepacks übertragen, die darauf ausgelegt sind, die Belastungen bei der Herstellung und dem Betrieb von Batterien zu bewältigen.

Abbildung 1 Schematische Darstellung von Lithium-Metall-Festkörperbatterien, Mechanik und Transportphänomenen.

Abbildung 2 Längenskala und geschwindigkeitsabhängige Mechanik von Lithiummetall.

Abbildung 3 Plastizität wird durch Verdichtung und Scherfluss in amorphen Materialien ausgelöst und durch die Einführung von Versetzungen in kristalliner Keramik verstärkt, wodurch Brüche vermieden werden.

Abbildung 4 Deformationswiederherstellung in LiPON, was zu einem hystereseähnlichen Verhalten während der zyklischen Belastung der Nanoindentation führt.

Abbildung 5 Ermüdungsschaden einer Verbundstoffkathode.

Abbildung 6 Schematische Darstellung der Lithiumausbreitung durch Festelektrolyten.