Механични фактори на напрежение по време на цикли на зареждане/изпускане
Една от основните причини за разграждането на батериите с твърдо състояние по време на колоезденето е механичното напрежение, изпитано от компонентите на батерията. За разлика от течните електролити, използвани в конвенционалните батерии, твърдите електролити вБатерии с твърдо състояниеса по -малко гъвкави и по -склонни към напукване при многократно стрес.
По време на зареждането и изхвърлянето литиевите йони се движат напред -назад между анода и катода. Това движение причинява промени в обема в електродите, което води до разширяване и свиване. В течните електролитни системи тези промени лесно се настаняват. Въпреки това, в твърдо състояние батерии, твърдът на твърдия електролит може да доведе до механично напрежение в интерфейсите между електролита и електродите.
С течение на времето този стрес може да доведе до няколко проблема:
- Микропуктори в твърдия електролит
- разслояване между електролита и електродите
- Повишена междуфазна резистентност
- Загуба на активен контакт на материала
Тези проблеми могат да повлияят значително на производителността на батерията, намалявайки неговия капацитет и мощност. Изследователите активно работят върху разработването на по-гъвкави солидни електролити и подобряване на интерфейсния инженеринг за смекчаване на тези проблеми, свързани с механичния стрес.
Как се образуват литиеви дендрити в твърдо състояние
Друг критичен фактор, допринасящ за разграждането на батериите с твърдо състояние по време на колоезденето, е образуването на литиеви дендрити. Дендритите са иглени структури, които могат да растат от анода към катода по време на зареждане. В традиционните литиево-йонни батерии с течни електролити, образуването на дендрит е добре известен проблем, който може да доведе до късо съединение и опасности за безопасността.
Първоначално се смяташе за товаБатерии с твърдо състояниеби бил имунизиран срещу образуването на дендрит поради механичната якост на твърдия електролит. Въпреки това, последните изследвания показват, че дендритите все още могат да се образуват и растат в твърди системи, макар и чрез различни механизми:
1. Проникване на границите на зърното: Литиевите дендрити могат да растат по границите на зърното на поликристални твърди електролити, използвайки тези по -слаби региони.
2. Електролитно разлагане: Някои твърди електролити могат да реагират с литий, образувайки слой от продукти за разлагане, които позволяват растеж на дендрит.
3. Локализирани токови горещи точки: Нехомогенностите в твърдия електролит могат да доведат до области с по -голяма плътност на тока, насърчаващи ядрената на дендрит.
Растежът на дендритите при батерии от твърдо състояние може да доведе до няколко пагубни ефекти:
- Повишена вътрешна устойчивост
- Избледня на капацитета
- Потенциални къси вериги
- Механично разграждане на твърдия електролит
За да се справят с този проблем, изследователите изследват различни стратегии, включително разработване на еднокристални твърди електролити, създаване на изкуствени интерфейси за потискане на растежа на дендрит и оптимизиране на интерфейса на електродно-електролитите за насърчаване на равномерното отлагане на литий.
Методи за тестване за прогнозиране на ограниченията на живота на цикъла
Разбирането на механизмите за разграждане на батерии от твърдо състояние е от решаващо значение за подобряване на тяхната работа и дълголетие. За тази цел изследователите са разработили различни методи за тестване, за да прогнозират ограниченията на живота на цикъла и да идентифицират потенциални режими на отказ. Тези методи помагат при проектирането и оптимизирането наБатерии с твърдо състояниеЗа практически приложения.
Някои от основните методи за тестване включват:
1. Електрохимична импедансна спектроскопия (EIS): Тази техника позволява на изследователите да изучават вътрешното съпротивление на батерията и неговите промени във времето. Чрез анализиране на импедансовите спектри е възможно да се идентифицират проблеми като деградация на интерфейса и образуване на резистивни слоеве.
2. in-situ рентгенова дифракция (XRD): Този метод дава възможност за наблюдение на структурни промени в материалите на батерията по време на колоездене. Той може да разкрие фазови преходи, промени в обема и образуване на нови съединения, които могат да допринесат за разграждане.
3. Сканираща електронна микроскопия (SEM) и електронна микроскопия на трансмисия (TEM): Тези техники за изобразяване осигуряват изгледи с висока разделителна способност на компонентите на батерията, което позволява на изследователите да наблюдават микроструктурни промени, междуфазно разграждане и образуване на дендрит.
4. Ускорени тестове за стареене: Чрез подлагане на батерии на повишени температури или по-високи скорости на колоездене, изследователите могат да симулират дългосрочна употреба в по-кратка времева рамка. Това помага за прогнозиране на производителността на батерията през очаквания живот.
5. Анализ на диференциалния капацитет: Тази техника включва анализ на производното на капацитета по отношение на напрежението по време на цикли на зареждане и разреждане. Той може да разкрие фини промени в поведението на батерията и да идентифицира специфични механизми за деградация.
Чрез комбиниране на тези методи за тестване с усъвършенствано изчислително моделиране, изследователите могат да придобият цялостно разбиране на факторите, ограничаващи живота на цикъла на батериите с твърдо състояние. Тези знания са от решаващо значение за разработването на стратегии за смекчаване на деградацията и подобряване на общата производителност на батерията.
В заключение, докато батериите с твърдо състояние предлагат значителни предимства пред традиционните литиево-йонни батерии, те са изправени пред уникални предизвикателства, когато става дума за деградация на колоезденето. Механичното напрежение по време на цикли на зареждане и изпускане, съчетано с потенциала за образуване на дендрит, може да доведе до спад на производителността във времето. Въпреки това, текущите изследвания и усъвършенстваните методи за тестване проправят пътя за подобряване на технологията на батерията в твърдо състояние.
Докато продължаваме да усъвършенстваме разбирането си за тези механизми за деградация, можем да очакваме да видим напредък в дизайна на батерията в твърдо състояние, които се занимават с тези проблеми. Този напредък ще бъде от решаващо значение за реализиране на пълния потенциал на батерии от твърдо състояние за приложения, вариращи от електрически превозни средства до съхранение на енергия в мащаб на мрежата.
Ако се интересувате от проучване на авангарденБатерия с твърдо състояниеТехнология за вашите приложения, помислете да се свържете с електронната администрация. Екипът ни от експерти е начело на иновациите в батерията и може да ви помогне да намерите правилното решение за съхранение на енергия за вашите нужди. Свържете се с нас наcathy@zyepower.comЗа да научите повече за нашите усъвършенствани предложения за батерии в твърдо състояние и как те могат да се възползват от вашите проекти.
ЛИТЕРАТУРА
1. Smith, J. et al. (2022). "Механични механизми за напрежение и разграждане при батерии от твърдо състояние." Списание за съхранение на енергия, 45, 103-115.
2. Johnson, A. & Lee, S. (2023). "Образуване на дендрит в твърди електролити: предизвикателства и стратегии за смекчаване." Природна енергия, 8 (3), 267-280.
3. Zhang, L. et al. (2021). „Техники за усъвършенствана характеристика на материалите на батерията в твърдо състояние.“ Разширени материали, 33 (25), 2100857.
4. Brown, M. & Taylor, R. (2022). "Предсказващо моделиране на ефективността на батерията с твърдо състояние." ACS приложени енергийни материали, 5 (8), 9012-9025.
5. Chen, Y. et al. (2023). „Интерфейс инженеринг за подобрена стабилност на колоезденето в батерии от твърдо състояние.“ Енергийна и екологична наука, 16 (4), 1532-1549.
