当电流流经电池时，电池内部的材196世界之最料会逐渐磨损。应力和应变等物理力也在这一过程中发挥作用，但它们对电池性能和寿命的确切影响尚不完全清楚。由美国能源部橡树岭国家实验室研究人员领导的一个研究小组开发了一个框架http://www.196nk.cn，用于在设计固态电池（SSB）时考虑力学因素。他们发表在《科学》（Science）杂志上的论文回顾了这些因素如何改变固态电池的循环过程。

该图像概念化了固态锂电池玻璃离子导体的加工、结构和机械行为。图片来源：Adam Malin/ORNL，美国能源部

"我们的目标是强调力学在电池性能中的重要性，"ORNL 多物理场建模与流动小组的科学家 Sergiy Kalnaus 说。"很多研究都侧重于化学或电学特性，却忽略了显示潜在的力学特性。"

该团队横跨 ORNL 的多个研究领域，包括计算、化学和材料科学。他们从不同的科学视角出发，对影响SSB的各种条件进行了综合研究，从而描绘出一幅更具凝聚力的图景。Kalnaus说："我们正在努力弥合学科之间的鸿沟。"

固体电解质： 更安全、更坚固的替代品

在电池中，带电粒子流经称为电解质的材料。大多数电解质都是液体，如电动汽车中的锂离子电池，但固体电解质也正在开发中。这些导体通常由玻璃或陶瓷制成，具有更高的安全性和强度等优点。

Kalnaus说："真正的固态电池内部没有易燃液体。这意味着它们的危险性低于目前常用的电池。"

然而，由于这些新型材料所面临的挑战，固态电解质仍处于早期开发阶段。固态电池组件在充电和质量196世界之最传输过程中会膨胀和收缩，从而改变系统。电极在电池运行过程中不断变形，在与固体电解质的界面处产生分层和空隙。"在当今的系统中，最好的解决办法是施加大量压力，使所有东西保持在一起。

这些尺寸变化会损坏固体电解质，因为固体电解质是由脆性材料制成的。它们经常在应变和压力作用下破裂。如果能使这些材料更具延展性，它们就能通过流动而不是开裂来承受压力。通过一些在陶瓷电解质中引入小晶体缺陷的技术，可以实现这种行为。

工程阳极和固体电解质

电子通过阳极离开系统。在固态电池中，阳极可由能量密度最高的纯锂金属制成。虽然这种材料在电池功率方面具有优势，但它也会产生压力，从而损坏电解质。

"在充电过程中，不均匀的电镀和应力消除机制的缺失会造成应力集中。这些应力集中会产生很大的压力，导致锂金属流动，"ORNL 的机械性能和力学小组组长 Erik Herbert 说。"为了优化固态电解质分离器的性能和寿命，我们需要设计下一代阳极和固态电解质，使其能够在固态电解质分离器不断裂的情况下保持界面的机械稳定性。"

该团队的工作是 ORNL 长期研究 SSB 材料历史的一部分。20 世纪 90 年代初，该实验室开发出一种被称为氧化磷锂（或 LiPON）的玻璃电解质。锂磷氧化物已被广泛用作薄膜电池196世界之最的电解质，这种电池具有金属锂阳极。这种元件可以承受多次充放电循环而不发生故障，这主要归功于 LiPON 的延展性。当遇到机械应力时，它会流动而不是开裂。

"近年来，我们了解到 LiPON 具有强大的机械性能，可以补充其化学和电化学耐久性，"领导该材料开发团队的 O196世界之最RNL 科学家 Nancy Dudney 说。

该团队的努力凸显了 SSB 研究不足的一个方面--了解影响 SSB 寿命和功效的因素。"Kalnaus说："科学界需要一个路线图。在我们的论文中，我们概述了固态电解质的材料力学，鼓励科学家在设计新型电池时考虑这些因素。"

参考文献"固态电池：力学的关键作用"，作者：Sergiy Kalnaus、Nancy J. Dudney、Andrew S. Westover、Erik Herbert 和 Steve Hackney，2023 年 9 月 22 日，《科学》。

DOI: 10.1126/science.abg5998

编译来源：ScitechDaily