Science重磅固态电池机械行为综述

  【研究亮点】采用锂金属负极的固态电池具有更高的单位体积内的包含的能量、更长的常规使用的寿命、更宽的工作时候的温度和更高的安全性。尽管大部分研究都集中在提高材料和界面的传输动力学和电化学稳定性上，但也存在需要研究材料力学的关键挑战。在具有固-固界面的电池中，机械接触以及固态电池运行过程中应力的产生，与保持这些界面处稳定的电荷转移的电化学稳定性一样重要。美国橡树岭国家实验室Sergiy Kalnaus研究员等人今日在Science发表综述文章着重关注电池循环过程产生的应力和应变和相关的应力缓解机制。

  与日常手机和电动汽车中使用的传统锂离子电池相比，固态电池（SSB）具备极其重大的潜在优势，包括更高的单位体积内的包含的能量和更快的充电速度。由于不含易燃有机溶剂，固体电解质隔膜还能够给大家提供更长的常规使用的寿命、更宽的工作时候的温度和更高的安全性。采用锂金属负极和层状氧化物或转化正极的固态锂金属电池有可能使当今最先进的使用液态电解质的锂离子电池的比能量几乎增加一倍。然而，存储和释放这种能量会伴随着电极的尺寸变化：正极的晶格拉伸和扭曲以及负极的金属锂沉积。液态电解质能马上适应电极的体积变化，而不会在电解质中积聚应力或失去与正极颗粒的接触。然而，当改用SSB时，这些成分应变、它们引起的应力以及如何缓解这些应力对于电池性能至关重要。SSB中的大多数故障首先是机械故障。SSB的成功设计将与材料如何有效地管理这些电池中的应力和应变的演变密切相关。

  在负极侧，锂金属沉积在与固体电解质的界面处产生了其自身的复杂应力状态。锂金属沉积不但可以发生在电极-电解质界面处，还可以发生在固体电解质本身、其孔内或沿着晶界。这种受限的锂沉积产生了具有高应力的区域，能够在电解质中引发破裂。尽管SSB的大多数故障都是由力学引起的，但目前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，作者提出了SSB的力学框架，并总结了该领域的领先研究，着重关注应力产生、预防和缓解的机制。

  推动可再生资源的发展需要开发下一代电池，其单位体积内的包含的能量是现有电池的两倍以上，并能在 5分钟或更短的时间内充电。这引发了一场开发电解质的竞赛，既能够在一定程度上促进5分钟快充，又能轻松实现锂金属负极——这是高能量的关键。对锂金属具有高电化学稳定性的固态电解质，以及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，促使研究转向SSB。尽管这些发现已经播下了SSB能轻松实现快充和单位体积内的包含的能量加倍的愿景，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SSB的开发中，才能实现这一目标。

  必须解决几个关键挑战，包括（i）固态电解质表面上的锂沉积层不均匀以及固态电解质内锂金属的沉积；(ii) 由于电极接触处以及晶界处发生的电化学循环相关的体积变化，导致电池内界面接触的损失；(iii) 使用非常薄的固态电解质和最少的非活性成分（包括粘合剂和结构支撑物）形成SSB的制造工艺。力学是连接这样一些问题的共同点。金属锂沉积到陶瓷固态电解质的表面和体积缺陷中会导致局部高应力，随着金属锂进一步扩散到裂纹中，可能会引起电解质破裂。在制作的完整过程中，作为最低要求，正极-电解质堆栈应有充足的强度以承受施加的力。对SSB材料中机械行为的更好理解将促进固态电解质、正极、负极和电池架构以及旨在管理电池制造和运行压力的电池组的开发。

  图1锂金属固态电池和相应的力学（黑色背景）和传输（白色背景）现象的示意图。

  图3通过非晶态材料的致密化和剪切流触发塑性，并通过在晶体陶瓷中引入位错来增韧，从而避免断裂。

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