Sergiy Kalnaus 등. 전고체 배터리: 역학의 중요한 역할. 과학. 381, 1300(2023).

리튬 금속 양극을 사용하는 전고체 배터리는 더 높은 에너지 밀도, 더 긴 수명, 더 넓은 작동 온도 및 향상된 안전성을 제공할 수 있습니다. 대부분의 연구는 재료와 인터페이스의 수송 역학과 전기화학적 안정성을 향상시키는 데 중점을 두었지만 재료 역학 조사가 필요한 중요한 과제도 있습니다. 고체-고체 인터페이스, 기계적 접촉 및 고체 배터리 작동 중 응력 발생이 있는 배터리에서는 이러한 인터페이스에서 안정적인 전하 이동을 유지하기 위한 전기화학적 안정성만큼 중요합니다. 이 검토에서는 정상 및 확장된 배터리 사이클링으로 인해 발생하는 스트레스와 변형 및 스트레스 완화를 위한 관련 메커니즘(일부는 이러한 배터리의 고장으로 이어짐)에 중점을 둘 것입니다.

배경

전고체 배터리(SSB)는 일상적인 휴대폰과 전기 자동차에 사용되는 기존 리튬 이온 배터리에 비해 중요한 잠재적 이점을 가지고 있습니다. 이러한 잠재적 이점 중에는 더 높은 에너지 밀도와 더 빠른 충전이 있습니다. 고체전해질 분리막은 인화성 유기용매를 사용하지 않기 때문에 수명이 길고, 작동 온도가 더 넓으며, 안전성도 향상됩니다. SSB의 중요한 측면 중 하나는 대량 이동으로 인한 치수 변화(변형)에 대한 미세 구조의 응력 반응입니다. 음극 입자의 조성 변형은 액체 전해질 배터리에서도 발생하지만 SSB에서는 이러한 변형으로 인해 전극 입자의 팽창 또는 수축과 고체 전해질 사이의 접촉 역학 문제가 발생합니다. 양극 측에서는, 리튬 금속 도금은 고체 전해질과의 경계면에서 자체적인 복잡한 응력 상태를 생성합니다. SSB의 중요한 특징은 이러한 도금이 전극-전해질 경계면뿐만 아니라 고체 전해질 자체 내, 기공 내부 또는 입자 경계를 따라 발생할 수 있다는 것입니다. 이러한 제한된 리튬 증착은 전해질에 균열을 일으킬 수 있는 높은 정수압 응력을 갖는 영역을 생성합니다. SSB 고장의 대부분은 기계적인 요인에 의해 발생하지만 대부분의 연구는 전해질의 이온 전달 및 전기화학적 안정성을 개선하는 데 전념해 왔습니다. 이러한 격차를 해소하기 위한 시도로 이 검토에서는 SSB에 대한 역학 프레임워크를 제시하고 스트레스가 생성, 예방 및 완화되는 메커니즘에 초점을 맞춰 해당 분야의 주요 연구를 조사합니다. SSB의 중요한 특징은 이러한 도금이 전극-전해질 경계면뿐만 아니라 고체 전해질 자체 내, 기공 내부 또는 입자 경계를 따라 발생할 수 있다는 것입니다. 이러한 제한된 리튬 증착은 전해질에 균열을 일으킬 수 있는 높은 정수압 응력을 갖는 영역을 생성합니다. SSB 고장의 대부분은 기계적인 요인에 의해 발생하지만 대부분의 연구는 전해질의 이온 전달 및 전기화학적 안정성을 개선하는 데 전념해 왔습니다. 이러한 격차를 해소하기 위한 시도로 이 검토에서는 SSB에 대한 역학 프레임워크를 제시하고 스트레스가 생성, 예방 및 완화되는 메커니즘에 초점을 맞춰 해당 분야의 주요 연구를 조사합니다. SSB의 중요한 특징은 이러한 도금이 전극-전해질 경계면뿐만 아니라 고체 전해질 자체 내, 기공 내부 또는 입자 경계를 따라 발생할 수 있다는 것입니다. 이러한 제한된 리튬 증착은 전해질에 균열을 일으킬 수 있는 높은 정수압 응력을 갖는 영역을 생성합니다. SSB 고장의 대부분은 기계적인 요인에 의해 발생하지만 대부분의 연구는 전해질의 이온 전달 및 전기화학적 안정성을 개선하는 데 전념해 왔습니다. 이러한 격차를 해소하기 위한 시도로 이 검토에서는 SSB에 대한 역학 프레임워크를 제시하고 스트레스가 생성, 예방 및 완화되는 메커니즘에 초점을 맞춰 해당 분야의 주요 연구를 조사합니다. 기공 내부 또는 입자 경계를 따라. 이러한 제한된 리튬 증착은 전해질에 균열을 일으킬 수 있는 높은 정수압 응력을 갖는 영역을 생성합니다. SSB 고장의 대부분은 기계적인 요인에 의해 발생하지만 대부분의 연구는 전해질의 이온 전달 및 전기화학적 안정성을 개선하는 데 전념해 왔습니다. 이러한 격차를 해소하기 위한 시도로 이 검토에서는 SSB에 대한 역학 프레임워크를 제시하고 스트레스가 생성, 예방 및 완화되는 메커니즘에 초점을 맞춰 해당 분야의 주요 연구를 조사합니다. 기공 내부 또는 입자 경계를 따라. 이러한 제한된 리튬 증착은 전해질에 균열을 일으킬 수 있는 높은 정수압 응력을 갖는 영역을 생성합니다. SSB 고장의 대부분은 기계적인 요인에 의해 발생하지만 대부분의 연구는 전해질의 이온 전달 및 전기화학적 안정성을 개선하는 데 전념해 왔습니다. 이러한 격차를 해소하기 위한 시도로 이 검토에서는 SSB에 대한 역학 프레임워크를 제시하고 스트레스가 생성, 예방 및 완화되는 메커니즘에 초점을 맞춰 해당 분야의 주요 연구를 조사합니다. 대부분의 연구는 전해질의 이온 전달 및 전기화학적 안정성을 향상시키는 데 전념해 왔습니다. 이러한 격차를 해소하기 위한 시도로 이 검토에서는 SSB에 대한 역학 프레임워크를 제시하고 스트레스가 생성, 예방 및 완화되는 메커니즘에 초점을 맞춰 해당 분야의 주요 연구를 조사합니다. 대부분의 연구는 전해질의 이온 전달 및 전기화학적 안정성을 향상시키는 데 전념해 왔습니다. 이러한 격차를 해소하기 위한 시도로 이 검토에서는 SSB에 대한 역학 프레임워크를 제시하고 스트레스가 생성, 예방 및 완화되는 메커니즘에 초점을 맞춰 해당 분야의 주요 연구를 조사합니다.

발전

재생 가능한 자원을 향한 추진에는 현재 배터리보다 에너지 밀도가 두 배 이상 높고 5분 이내에 충전할 수 있는 차세대 배터리의 개발이 필요합니다. 이로 인해 5분 고속 충전을 촉진하고 고에너지의 핵심인 리튬 금속 양극을 활성화할 수 있는 전해질 개발 경쟁이 시작되었습니다. Li 금속과 함께 전기화학적 안정성이 높은 고체 전해질과 액체 전해질보다 이온 전도도가 높은 황화물 고체 전해질의 발견은 연구 커뮤니티에서 SSB로의 전환을 촉발시켰습니다. 이러한 발견은 SSB가 빠른 충전과 두 배의 에너지 밀도 비전을 실현할 수 있다는 가능성을 심어주었지만,

시야

(i) 고체 전해질 표면의 불균일한 리튬 도금 및 고체 전해질 내의 리튬 금속 증착; (ii) 전극 접촉 및 입자 경계에서 발생하는 전기화학적 순환과 관련된 부피 변화의 결과로 전지 내 계면 접촉의 손실; (iii) 매우 얇은 고체 전해질과 결합제 및 구조적 지지체를 포함한 최소한의 비활성 구성 요소를 사용하여 SSB를 형성하는 제조 공정. 역학은 이러한 문제를 연결하는 공통분모입니다. 세라믹 고체 전해질의 표면 및 부피 결함에 금속 리튬이 증착되면 국부적으로 높은 응력이 발생하여 금속 리튬이 균열로 추가로 전파되어 전해질 파손을 초래할 수 있습니다. 제조에서는, 최소 요구 사항으로 음극-전해질 스택은 장비에 가해지는 힘을 견딜 수 있을 만큼 충분한 강도를 가져야 합니다. SSB 재료의 역학에 대한 더 나은 이해는 고체 전해질, 음극, 양극 및 셀 아키텍처뿐만 아니라 배터리 제조 및 작동의 스트레스를 관리하도록 설계된 배터리 팩의 개발로 이어질 것입니다.

 그림 1 리튬 금속 전고체 배터리, 역학 및 운송 현상의 개략도.

 그림 2 리튬 금속의 길이 규모와 속도에 따른 역학.

 그림 3 가소성은 비정질 재료의 치밀화 및 전단 흐름에 의해 유발되고 결정질 세라믹의 전위 도입으로 강화되어 파손을 방지합니다.

 그림 4 LiPON의 변형 복구로 인해 나노압입의 주기적 로딩 중 히스테리시스와 유사한 동작이 발생합니다.

 그림 5 복합 고체 음극의 피로 손상.

 그림 6 고체 전해질을 통한 리튬 전파의 개략도.