전고체 배터리: 역학의 중요한 역할

Sep 27 , 2023

Sergiy Kalnaus, 외. 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 있는 잠재력을 가지고 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 메커니즘에 중점을 둘 것이며, 그 중 일부는 이러한 배터리의 고장을 초래합니다.

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. 고체 전해질 분리막은 또한 가연성 유기 용매가 없기 때문에 더 긴 수명, 더 넓은 작동 온도 및 향상된 안전성을 제공할 수 있습니다. 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 팽창 또는 수축하는 전극 입자와 고체 전해질 사이의 접촉 역학 문제가 발생합니다. 양극 측에서 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 결정립 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 선도적인 연구를 조사합니다.

고급

재생 가능한 자원을 향한 추진은 현재 배터리보다 에너지 밀도가 두 배 이상 높고 충전 시간이 5분 이내인 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 고속 충전 및 에너지 밀도 두 배의 비전을 가능하게 할 수 있다는 가능성을 제시했지만, 이 가능성의 실현은 배터리 재료의 기계적 거동을 완전히 이해하고 멀티스케일 메커니즘이 SSB 개발에 통합된 경우에만 가능합니다. .

전망

(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 바인더 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. 제조 시 최소 요구 사항으로 음극 전해질 스택은 장비에 가해지는 힘을 견딜 수 있을 만큼 충분한 강도를 가져야 합니다. SSB 재료의 역학에 대한 이해 향상고체 전해질, 양극, 음극, 셀 구조 개발과 배터리 제조 및 작동의 스트레스를 관리할 수 있는 배터리 팩 개발로 옮겨갈 것입니다.

Solid-state batteries