固态电池突破在即？这一“神秘力量”可大幅提高其性能和寿命

摘要
【固态电池突破在即？这一“神秘力量”可大幅提高其性能和寿命】当电流流过电池时，电池内部的材料会逐渐磨损。应力和应变的物理力量也在这个过程中发挥作用，但它们对电池性能和寿命的确切影响目前尚不完全清楚。因此，美国能源部橡树岭国家实验室决定“另辟蹊径”，开发了一个设计固态电池（SSB）的框架，重点考虑到了其中的力学问题，而非一般研究中的电化学性质。最新研究结果已于近期发表在了《科学》杂志上。
　　

　　当电流流过电池时，电池内部的材料会逐渐磨损。应力和应变的物理力量也在这个过程中发挥作用，但它们对电池性能和寿命的确切影响目前尚不完全清楚。

　　因此，美国能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，简称ORNL）决定“另辟蹊径”，开发了一个设计固态电池（SSB）的框架，重点考虑到了其中的力学问题，而非一般研究中的电化学性质。最新研究结果已于近期发表在了《科学》杂志上。

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　　“我们的目标是强调力学在电池性能中的重要性，”ORNL多物理场建模和流动小组的科学家Sergiy Kalnaus说，“许多研究都集中在化学或电学性质上，但却忽视了其潜在的力学机制。”

　　据悉，该团队横跨ORNL的几个研究领域，包括计算、化学和材料科学。他们的综述通过使用科学领域的观点，对影响SSB的条件描绘了一幅更具凝聚力的画面。

　　固体电解质

　　在电池中，带电粒子会流过被称为电解质的材料。这些电解质大多数是液体，比如电动汽车中的锂离子电池，但固体电解质也在开发中。这些导体通常由玻璃或陶瓷制成，可以提供诸如增强安全性和强度等优点。

　　“真正的固态电池内部没有易燃液体，”Kalnaus说：“这意味着它们比目前常用的电池危险更小。”

　　发展固态电池的挑战

　　然而，由于与这些新材料相关的挑战，固体电解质仍处于发展的早期阶段。

　　具体而言，SSB组件在电荷和质量传输过程中膨胀和收缩，从而会改变整体系统。电极在电池运行过程中不断变形，在与固体电解质的界面上产生分层和空隙，在当今的系统中，最好的解决方案是施加大量压力，使一切保持在一起。

　　然而，这些尺寸变化会损坏由脆性材料制成的固体电解质，它们经常因应力和压力而断裂。使这些材料更具延展性，将使它们能够通过流动而不是破裂来承受应力。这种行为可以通过将小的晶体缺陷引入陶瓷电解质的一些技术来实现。

　　未来构思

　　据了解，电子通过阳极离开系统。在SSB中，该组件可以由纯锂制成，纯锂是能量密度最高的金属，尽管这种材料为电池的功率提供了优势，但它也会产生压力，从而损坏电解质。

　　“在充电过程中，镀层不均匀和缺乏应力消除机制会造成应力集中。”ORNL机械性能和力学小组的负责人Erik Herbert说：“为了优化SSB的性能和寿命，我们需要设计下一代阳极和固体电解质，以保持机械稳定的界面，而不会破坏固体电解质隔膜。”

　　事实上，该团队的工作是ORNL研究SSB材料的悠久历史的一部分。在20世纪90年代初，一种被称为氧化磷锂（LiPON）的玻璃状电解质在实验室被开发出来。

　　LiPON已被广泛用作具有金属锂阳极的薄膜电池的电解质。该组件可以承受许多充放电循环而不会失效，主要是由于LiPON的延展性。当遇到机械应力时，它会流动而不是开裂。

　　研究人员说，“近年来，我们了解到LiPON具有强大的机械性能，以补充其化学和电化学耐久性。在我们的论文中，我们概述了固态电解质材料的力学，鼓励科学家在设计新电池时考虑这些。”