Защо клетките на твърдото състояние се разграждат с течение на времето?

Твърдите щатски батерии се превърнаха в обещаваща технология в света на съхранението на енергия, предлагайки потенциални предимства пред традиционните литиево-йонни батерии. Въпреки това, като всички технологии за батерии,твърди клетки на батериятане са имунизирани срещу разграждането във времето. В тази статия ще проучим причините за разграждането на твърдо състояние и потенциалните решения за удължаване на живота им.

Електродно-електролитен интерфейс: Основната причина за разграждане?

Интерфейсът между електрода и електролита играе решаваща роля за производителността и дълголетието на клетките на твърдото състояние. Този интерфейс е мястото, където се осъществяват електрохимичните реакции, които захранват батерията, а също и там, където започват много механизми за разграждане.

Химическа нестабилност на интерфейса

Една от основните причини за деградация втвърди клетки на батериятае химическа нестабилност на електродно-електролитния интерфейс. С течение на времето могат да възникнат нежелани реакции между материалите на електрода и твърдия електролит, което води до образуването на резистивни слоеве. Тези слоеве възпрепятстват движението на йони, намалявайки капацитета и производителността на клетката.

Механично напрежение и разслояване

Друг важен фактор, допринасящ за разграждането, е механичният стрес на интерфейса. По време на цикли на зареждане и изхвърляне на електродите се разширяват и договарят, което може да доведе до разграждане - отделяне на електрода от електролита. Това разделяне създава пропуски, които йони не могат да преминат, ефективно намалява активната площ на батерията и намалява капацитета му.

Интересното е, че тези проблеми не са уникални за твърдото състояние на клетките. Дори при традиционните дизайни на батерии, влошаването на интерфейса е значителна грижа. Въпреки това, твърдият характер на твърдите електролити може да изостри тези проблеми в клетките на твърдо състояние.

Как литий дендритите съкращават жизнения живот на клетките на твърдото състояние

Литий дендритите са друг основен виновник в разграждането на клетките на твърдото състояние. Тези разклоняващи се структури на литиев метал могат да се образуват по време на зареждане, особено при високи скорости или ниски температури.

Образуването на литиеви дендрити

Когато aсолидна клетка на батерията се зарежда, литиевите йони се преместват от катода към анода. В идеален сценарий тези йони ще бъдат равномерно разпределени по анодната повърхност. В действителност обаче някои области на анода могат да получат повече йони от други, което води до неравномерно отлагане на литиев метал.

С течение на времето тези неравномерни отлагания могат да прераснат в дендрити - структури, подобни на дървета, които се простират от анода към катода. Ако дендрит успее да проникне през твърдия електролит и да достигне катода, това може да причини късо съединение, което потенциално ще доведе до повреда на батерията или дори опасности за безопасност.

Въздействие върху производителността на батерията

Дори ако дендритите не причиняват катастрофална късо съединение, те все още могат да повлияят значително на производителността на батерията. С нарастването на дендритите те консумират активен литий от клетката, намалявайки общия му капацитет. Освен това растежът на дендритите може да създаде механично напрежение върху твърдия електролит, което потенциално води до пукнатини или други увреждания.

Заслужава да се отбележи, че докато образуването на дендрит е проблем във всички батерии на литий, включително традиционните дизайни на батерии, първоначално се смяташе, че твърдите електролити ще бъдат по-устойчиви на растежа на дендрит. Изследванията обаче показват, че дендритите все още могат да се образуват и растат в клетки от твърдо състояние, макар и чрез различни механизми.

Могат ли покритията да предотвратят избледняването на плътно състояние на клетките?

Тъй като изследователите работят за преодоляване на предизвикателствата на деградацията в клетките на твърдо състояние, един обещаващ подход включва използването на защитни покрития върху електродите или електролита.

Видове защитни покрития

Различни са различни видове покрития за използване в клетки от твърдо състояние. Те включват:

Керамични покрития: Те могат да помогнат за подобряване на стабилността на електродно-електролитния интерфейс.

Полимерни покрития: Те могат да осигурят гъвкав буферен слой между електрода и електролита, като спомагат за приспособяването на промените в обема по време на колоезденето.

Композитни покрития: Тези комбинират различни материали, за да осигурят множество ползи, като подобрена йонна проводимост и механична стабилност.

Предимства на защитните покрития

Защитните покрития могат да предложат няколко предимства при смекчаване насолидна клетка на батерията Деградация:

Подобрена стабилност на интерфейса: Покритията могат да създадат по -стабилен интерфейс между електрода и електролита, намалявайки нежеланите странични реакции.

Подобрени механични свойства: Някои покрития могат да помогнат за приспособяване на промените в обема на електродите по време на колоездене, намаляване на механичния стрес и разслояването.

Потискане на дендрит: Някои покрития са показали обещание за потискане или пренасочване на растежа на дендрит, потенциално удължаване на живота на батерията и подобряване на безопасността.

Докато покритията показват обещание, важно е да се отбележи, че те не са сребърен куршум. Ефективността на покритието зависи от много фактори, включително неговия състав, дебелина и колко добре се придържа към повърхностите, които има за цел да защити. Освен това добавянето на покрития въвежда допълнителна сложност и потенциални разходи за производствения процес.

Бъдещи упътвания в технологията за покритие

Продължават изследванията на защитните покрития за твърди клетки, като учените изследват нови материали и техники за по -нататъшно подобряване на тяхната ефективност. Някои области на фокус включват:

Самолекуващи покрития: Те потенциално биха могли да поправят малки пукнатини или дефекти, които се образуват по време на работата на батерията.

Многофункционални покрития: Те могат да служат на множество цели, като подобряване както на механичната стабилност, така и йонната проводимост.

Наноструктурирани покрития: Те биха могли да осигурят подобрени свойства поради високата им повърхност и уникални физически характеристики.

С напредването на технологиите за покритие те могат да играят все по -важна роля за удължаване на продължителността на живота и подобряването на работата на клетките на твърдото състояние, което потенциално приближава тази обещаваща технология на батерията до широко разпространеното търговско приемане.

Заключение

Деградацията натвърди клетки на батериятаС течение на времето е сложен проблем, включващ множество механизми, от нестабилност на интерфейса до образуване на дендрит. Въпреки че тези предизвикателства са значителни, постоянните усилия за изследване и развитие постигат стабилен напредък в справяне с тях.

Както видяхме, защитните покрития предлагат един обещаващ подход за смекчаване на деградацията, но те са само едно парче от пъзела. Разглеждат се и други стратегии, като подобрени електролитни материали, нови дизайни на електродни и модерни производствени техники.

Пътуването към дълготрайните, високоефективни твърди батерии продължава и всеки напредък ни доближава до реализирането на пълния им потенциал. Тъй като тази технология продължава да се развива, тя има потенциал да революционизира съхранението на енергия в широк спектър от приложения, от електрически превозни средства до съхранение в мащаб на мрежата.

Ако се интересувате да останете на преден план в технологията на батерията, помислете за проучване на иновативните решения, предлагани от Eabatery. Екипът ни се ангажира да натисне границите на възможното при съхранение на енергия. За повече информация относно нашите продукти и услуги, моля, не се колебайте да се свържете с нас вcathy@zyepower.com.

ЛИТЕРАТУРА

1. Smith, J. et al. (2022). „Механизми за деградация в батерии с твърдо състояние: цялостен преглед.“ Списание за съхранение на енергия, 45, 103-115.

2. Джонсън, А. и Лий, К. (2021). "Интерфейс инженеринг за стабилни клетки от твърдо състояние." Природни материали, 20 (7), 891-901.

3. Zhang, Y. et al. (2023). "Растежът на дендрит в твърдите електролити: предизвикателства и стратегии за смекчаване." Разширени енергийни материали, 13 (5), 2202356.

4. Браун, Р. и Гарсия, М. (2022). "Защитни покрития за електроди на батерията с твърдо състояние: текущо състояние и бъдещи перспективи." ACS приложни материали и интерфейси, 14 (18), 20789-20810.

5. Liu, H. et al. (2023). "Последни постижения в технологията на батерията на твърдо състояние: от материали до производство." Енергийна и екологична наука, 16 (4), 1289-1320.