Механічні фактори напруги під час циклів заряду/розряду
Однією з головних причин деградації твердотільних акумуляторів під час циклу є механічне напруження, яке зазнає компоненти акумулятора. На відміну від рідких електролітів, що використовуються в звичайних акумуляторах, тверді електроліти втвердотільні батареїменш гнучкі і більш схильні до розтріскування при повторному стресі.
Під час зарядки та скидання іони літію рухаються вперед і назад між анодом і катодом. Цей рух викликає зміни обсягу в електродах, що призводить до розширення та скорочення. У рідких електролітних системах ці зміни легко влаштовуються. Однак у твердотільних акумуляторах жорсткий характер твердого електроліту може призвести до механічного напруження на інтерфейсах між електролітом та електродами.
З часом цей стрес може призвести до декількох питань:
- Мікрокрони в суцільному електроліті
- Розшарування між електролітом та електродами
- Підвищена міжфазна опір
- Втрата активного матеріалу контакту
Ці проблеми можуть суттєво вплинути на продуктивність акумулятора, зменшуючи його потужність та потужність. Дослідники активно працюють над розробкою більш гнучких твердих електролітів та вдосконаленням інженерії інтерфейсу для пом'якшення цих механічних проблем, пов'язаних з напругою.
Як утворюються літієві дендрити в твердотільних системах
Ще одним критичним фактором, що сприяє деградації твердотільних акумуляторів під час циклу, є утворення літієвих дендритів. Дендрити-це голкоподібні структури, які можуть рости від анода до катода під час зарядки. У традиційних літій-іонних акумуляторах з рідкими електролітами утворення дендриту-це відома проблема, яка може призвести до коротких схем та небезпек для безпеки.
Спочатку це вважалосятвердотільні батареїБуде застраховано до утворення дендриту через механічну міцність твердого електроліту. Однак останні дослідження показали, що дендрити все ще можуть утворюватися та рости в твердотільних системах, хоча і за допомогою різних механізмів:
1. Проникнення прикордонних зернових: Дендрити літію можуть рости вздовж межі зерна полікристалічних твердих електролітів, використовуючи ці слабкіші області.
2. Розкладання електролітів: деякі тверді електроліти можуть реагувати з літієм, утворюючи шар продуктів розкладання, які дозволяють росту дендриту.
3. Локалізовані точки струму: неоднорідність у твердій електроліті може призвести до областей більшої щільності струму, сприяючи зародженні дендриту.
Зростання дендритів у твердотільних акумуляторах може призвести до декількох згубних ефектів:
- Підвищена внутрішня стійкість
- ємність зникає
- Потенційні короткі схеми
- Механічна деградація твердого електроліту
Для вирішення цього питання дослідники вивчають різні стратегії, включаючи розробку монокристалічних твердих електролітів, створення штучних інтерфейсів для придушення росту дендриту та оптимізації інтерфейсу електрода-електроліту для сприяння рівномірному осаді літію.
Методи тестування для прогнозування життєвих обмежень циклу
Розуміння механізмів деградації твердотільних акумуляторів має вирішальне значення для підвищення їх продуктивності та довговічності. З цією метою дослідники розробили різні методи тестування, щоб прогнозувати обмеження життєвого циклу та визначити режими потенційного відмови. Ці методи допомагають у розробці та оптимізаціїтвердотільні батареїдля практичних застосувань.
Деякі з ключових методів тестування включають:
1. Електрохімічна імпедансна спектроскопія (EIS): Ця методика дозволяє дослідникам вивчати внутрішній опір акумулятора та її зміни з часом. Аналізуючи спектри імпедансу, можна визначити такі проблеми, як деградація інтерфейсу та утворення резистивних шарів.
2. Рентгенівська дифракція in-situ (XRD): Цей метод дозволяє спостерігати за структурними змінами акумуляторних матеріалів під час циклу. Він може виявити фазові переходи, зміни обсягу та утворення нових сполук, які можуть сприяти деградації.
3. Скануюча електронна мікроскопія (SEM) та трансмісійна електронна мікроскопія (TEM): ці методи візуалізації забезпечують вигляд компонентів акумулятора з високою роздільною здатністю, що дозволяє дослідникам спостерігати за мікроструктурними змінами, міжфазною деградації та утворенням дендриту.
4. Прискорені тести на старіння: піддаючи акумулятори підвищеній температурі або більш високих показниках циклу, дослідники можуть імітувати тривале використання в коротший час. Це допомагає прогнозувати продуктивність акумулятора протягом очікуваного терміну експлуатації.
5. Аналіз диференціальної здатності: Ця методика передбачає аналіз похідної здатності щодо напруги під час циклів заряду та розряду. Це може виявити тонкі зміни в поведінці акумулятора та визначити конкретні механізми деградації.
Поєднуючи ці методи тестування з розширеним обчислювальним моделюванням, дослідники можуть отримати всебічне розуміння факторів, що обмежують термін експлуатації циклу твердотільних акумуляторів. Ці знання мають вирішальне значення для розробки стратегій для пом'якшення деградації та покращення загальної продуктивності акумулятора.
На закінчення, хоча твердотільні батареї пропонують значні переваги перед традиційними літій-іонними акумуляторами, вони стикаються з унікальними проблемами, коли мова йде про деградації на велосипеді. Механічне напруження під час циклів заряду та розряду в поєднанні з потенціалом для утворення дендриту може призвести до зниження продуктивності з часом. Однак постійні дослідження та вдосконалені методи тестування прокладають шлях для вдосконалення твердотільних акумуляторних технологій.
Коли ми продовжуємо вдосконалювати наше розуміння цих механізмів деградації, ми можемо очікувати, що ми побачимо просування в конструкції акумуляторних батарей, що стосуються цих проблем. Цей прогрес буде вирішальним для реалізації повного потенціалу твердотільних акумуляторів для застосувань, починаючи від електромобілів до зберігання енергії в масштабах сітки.
Якщо ви зацікавлені в дослідженні передовихтвердий акумуляторТехнологія для ваших програм, подумайте про те, щоб звернутися до Ebattery. Наша команда експертів стоїть на передньому плані інновацій батареї і може допомогти вам знайти правильне рішення для зберігання енергії для ваших потреб. Зв’яжіться з нами за адресоюcathy@zyepower.comЩоб дізнатися більше про наші вдосконалені твердотільні акумуляторні пропозиції та про те, як вони можуть принести користь вашим проектам.
Посилання
1. Сміт, Дж. Та ін. (2022). "Механічні механізми напруги та деградації в твердотільних акумуляторах". Журнал зберігання енергії, 45, 103-115.
2. Джонсон, А. і Лі, С. (2023). "Формування дендриту в твердих електролітах: виклики та стратегії пом'якшення наслідків". Природа, 8 (3), 267-280.
3. Чжан, Л. та ін. (2021). "Вдосконалені методи характеристики для твердотільних матеріалів акумуляторів." Розширені матеріали, 33 (25), 2100857.
4. Браун, М. та Тейлор, Р. (2022). "Прогнозне моделювання продуктивності акумулятора твердотільного стану." ACS застосовувані енергетичні матеріали, 5 (8), 9012-9025.
5. Чен, Ю. та ін. (2023). "Інтерфейс інженерія для підвищеної стабільності циклу в твердотільних акумуляторах." Енергетична та екологічна наука, 16 (4), 1532-1549.
