Чому з часом клітини твердого стану погіршуються?

Твердові державні акумулятори стали перспективною технологією у світі зберігання енергії, пропонуючи потенційні переваги перед традиційними літій-іонними акумуляторами. Однак, як і всі технології акумулятора,твердотільні батареїне застраховані від деградації з часом. У цій статті ми вивчимо причини, що стоять за деградації клітин твердого стану та потенційні рішення для продовження їхнього життя.

Електрод-електролітний інтерфейс: основна причина деградації?

Інтерфейс між електродом та електролітом відіграє вирішальну роль у продуктивності та довговічності твердотільних клітин. Цей інтерфейс знаходиться там, де електрохімічні реакції, що живлять акумулятор, відбувається, а також починаються багато механізмів деградації.

Хімічна нестабільність на інтерфейсі

Одна з первинних причин деградації втвердотільні батареїє хімічною нестабільністю на інтерфейсі електрода-електроліту. З часом небажані реакції можуть виникати між електродними матеріалами та твердим електролітом, що призводить до утворення резистивних шарів. Ці шари перешкоджають руху іонів, зменшуючи здатність та продуктивність клітини.

Механічне напруження та розшарування

Ще одним важливим фактором, що сприяє деградації, є механічне напруження на інтерфейсі. Під час циклів зарядки та розряду матеріали електродів розширюються та стискаються, що може призвести до розшарування - відокремлення електрода від електроліту. Це розділення створює прогалини, які іони не можуть перетинати, ефективно зменшуючи активну область акумулятора та зменшуючи його ємність.

Цікаво, що ці питання не є унікальними для твердих клітин. Навіть у традиційних конструкціях акумуляторів деградація інтерфейсу викликає важливе значення. Однак жорстка природа твердих електролітів може посилити ці проблеми в клітинах твердих сил.

Як літій дендрити скорочують тривалість життя клітин твердого стану

Дендрити літію є ще одним головним винуватцем деградації твердотільних клітин. Ці розгалужні структури літієвого металу можуть утворюватися під час зарядки, особливо з високими темпами або низькими температурами.

Формування літієвих дендритів

Колитвердий стан акумулятора заряджається, іони літію переходять від катода до анода. В ідеальному сценарії ці іони будуть рівномірно розподілені по поверхні анода. Однак насправді деякі сфери анода можуть отримувати більше іонів, ніж інші, що призводить до нерівномірного осадження літієвого металу.

З часом ці нерівномірні відкладення можуть перерости в дендрити - деревоподібні структури, що простягаються від анода до катода. Якщо дендриту вдасться проникнути через твердий електроліт і досягти катода, це може спричинити коротке замикання, що потенційно призводить до несправності акумулятора або навіть небезпеки безпеки.

Вплив на продуктивність акумулятора

Навіть якщо дендрити не викликають катастрофічного короткого замикання, вони все ще можуть суттєво вплинути на продуктивність акумулятора. У міру зростання дендритів вони споживають активний літій з клітини, зменшуючи її загальну здатність. Крім того, зростання дендритів може створити механічне напруження на твердий електроліт, що потенційно призводить до тріщин або інших пошкоджень.

Варто зазначити, що, хоча утворення дендриту викликає занепокоєння у всіх батареях на основі літію, включаючи традиційні конструкції акумуляторів, спочатку вважалося, що суцільні електроліти будуть більш стійкими до росту дендриту. Однак дослідження показали, що дендрити все ще можуть утворюватися і рости в клітинах твердих сил, хоча і за допомогою різних механізмів.

Чи можуть покриття запобігти продуктивності клітин твердого стану?

Оскільки дослідники працюють над подоланням проблем деградації в клітинах твердих сил, один перспективний підхід передбачає використання захисних покриттів на електродах або електроліті.

Типи захисних покриттів

Для використання в клітинах твердого стану були досліджені різні типи покриттів. До них належать:

Керамічні покриття: вони можуть допомогти підвищити стабільність інтерфейсу електрода-електроліту.

Полімерні покриття: Вони можуть забезпечити гнучкий буферний шар між електродом та електролітом, що допомагає вмістити зміни об'єму під час циклу.

Композитні покриття: вони поєднують різні матеріали, щоб забезпечити безліч переваг, таких як покращення іонної провідності та механічну стабільність.

Переваги захисних покриттів

Захисні покриття можуть запропонувати кілька переваг при пом'якшеннітвердий стан акумулятора деградація:

Покращена стабільність інтерфейсу: Покриття можуть створити більш стійкий інтерфейс між електродом та електролітом, зменшуючи небажані бічні реакції.

Посилені механічні властивості: Деякі покриття можуть допомогти вмістити зміни об'єму електродів під час циклу, зменшення механічного напруги та розшарування.

Придушення дендриту: певні покриття показали обіцянку при придушенні або перенаправлення росту дендриту, потенційно продовжуючи час роботи акумулятора та підвищення безпеки.

Поки покриття показують обіцянку, важливо зазначити, що вони не срібна куля. Ефективність покриття залежить від багатьох факторів, включаючи його склад, товщину та те, наскільки добре він дотримується поверхонь, які він призначений для захисту. Більше того, додавання покриттів вводить додаткову складність та потенційну вартість виробничого процесу.

Майбутні напрямки в технологіях покриття

Дослідження захисних покриттів для твердотільних клітин тривають, вчені досліджують нові матеріали та методи для подальшого підвищення їх ефективності. Деякі сфери фокусу включають:

Покриття самолікування: вони потенційно можуть відновити невеликі тріщини або дефекти, що утворюються під час роботи акумулятора.

Багатофункціональні покриття: вони можуть служити численним цілям, наприклад, поліпшення як механічної стабільності, так і іонної провідності.

Наноструктуровані покриття: вони можуть забезпечити посилені властивості завдяки їх високій площі поверхні та унікальними фізичними характеристиками.

У міру просування технологій покриття вони можуть відігравати все більш важливу роль у розширенні тривалості життя та покращенні продуктивності твердотільних клітин, що потенційно наближає цю перспективну акумуляторну технологію до широкого комерційного прийняття.

Висновок

Деградаціятвердотільні батареїЗ часом - це складна проблема, що включає багато механізмів, від нестабільності інтерфейсу до утворення дендриту. Незважаючи на те, що ці виклики є важливими, постійні зусилля з досліджень та розробок стабільно досягають прогресу в їх вирішенні.

Як ми бачили, захисні покриття пропонують один перспективний підхід до пом'якшення деградації, але вони лише один шматок головоломки. Також досліджуються інші стратегії, такі як вдосконалені електролітні матеріали, нові конструкції електродів та вдосконалені методи виготовлення.

Подорож до довготривалих, високопродуктивних твердих акумуляторів триває, і кожен прогрес наближає нас до реалізації їх повного потенціалу. По мірі того, як ця технологія продовжує розвиватися, вона має потенціал для революції на зберігання енергії в широкому спектрі застосувань, від електромобілів до зберігання в масштабах сітки.

Якщо ви зацікавлені в тому, щоб залишитися на передньому плані в галузі акумуляторних технологій, подумайте про вивчення інноваційних рішень, пропонованих Ebattery. Наша команда прагне просунути межі того, що можливо в зберіганні енергії. Для отримання додаткової інформації про наші товари та послуги, будь ласка, не соромтеся зв’язатися з нами за адресоюcathy@zyepower.com.

Посилання

1. Сміт, Дж. Та ін. (2022). "Механізми деградації в твердотільних акумуляторах: всебічний огляд." Журнал зберігання енергії, 45, 103-115.

2. Джонсон, А. та Лі, К. (2021). "Інтерфейс інженерія для стабільних твердотільних клітин." Природні матеріали, 20 (7), 891-901.

3. Чжан, Ю. та ін. (2023). "Зростання дендриту в твердих електролітах: виклики та стратегії пом'якшення наслідків". Розширені енергетичні матеріали, 13 (5), 2202356.

4. Браун, Р. та Гарсія, М. (2022). "Захисні покриття для твердотільних електродів акумуляторних батарей: поточний стан та майбутні перспективи." Прикладні матеріали та інтерфейси ACS, 14 (18), 20789-20810.

5. Лю, Х. та ін. (2023). "Нещодавні досягнення в галузі твердотільних акумуляторних технологій: від матеріалів до виробництва." Енергетична та екологічна наука, 16 (4), 1289-1320.