Baterias de estado sólido: o papel crítico da mecânica

Sergius Kalnaus, et al. Baterias de estado sólido: o papel crítico da mecânica. Ciência. 381, 1300 (2023).

Baterias de estado sólido com ânodos de metal de lítio têm potencial para maior densidade de energia, vida útil mais longa, temperatura operacional mais ampla e maior segurança. Embora a maior parte da pesquisa tenha se concentrado na melhoria da cinética de transporte e na estabilidade eletroquímica dos materiais e interfaces, também existem desafios críticos que exigem a investigação da mecânica dos materiais. Em baterias com interfaces sólido-sólido, os contatos mecânicos e o desenvolvimento de tensões durante a operação das baterias de estado sólido tornam-se tão críticos quanto a estabilidade eletroquímica para manter a transferência de carga constante nessas interfaces. Esta revisão se concentrará no estresse e na tensão resultantes do ciclo normal e prolongado da bateria e nos mecanismos associados para alívio do estresse, alguns dos quais levam à falha dessas baterias.

ANTECEDENTES

As baterias de estado sólido (SSBs) têm importantes vantagens potenciais em relação às tradicionais baterias de íons de lítio usadas em telefones e veículos elétricos do dia a dia. Entre essas vantagens potenciais está maior densidade de energia e carregamento mais rápido. Um separador de eletrólito sólido também pode proporcionar uma vida útil mais longa, temperatura operacional mais ampla e maior segurança devido à ausência de solventes orgânicos inflamáveis. Um dos aspectos críticos dos SSBs é a resposta ao estresse de sua microestrutura às mudanças dimensionais (deformações) impulsionadas pelo transporte de massa. As deformações composicionais nas partículas catódicas também ocorrem em baterias de eletrólito líquido, mas em SSBs essas deformações levam a problemas de mecânica de contato entre a expansão ou contração das partículas do eletrodo e do eletrólito sólido. No lado do ânodo, o revestimento de metal de lítio cria seu próprio estado de tensão complexo na interface com o eletrólito sólido. Uma característica crítica dos SSBs é que tal revestimento pode ocorrer não apenas na interface eletrodo-eletrólito, mas dentro do próprio eletrólito sólido, dentro de seus poros ou ao longo dos limites dos grãos. Essa deposição confinada de lítio cria áreas com alta tensão hidrostática capazes de iniciar fraturas no eletrólito. Embora a maioria das falhas nos SSBs sejam causadas pela mecânica, a maior parte da pesquisa tem sido dedicada a melhorar o transporte de íons e a estabilidade eletroquímica dos eletrólitos. Como uma tentativa de preencher esta lacuna, nesta revisão apresentamos uma estrutura mecânica para os SSBs e examinamos as principais pesquisas na área, com foco nos mecanismos pelos quais o estresse é gerado, prevenido e aliviado.

AVANÇOS

O impulso em direção aos recursos renováveis ​​requer o desenvolvimento de baterias de próxima geração com densidades de energia mais que o dobro das baterias atuais e que possam ser carregadas em 5 minutos ou menos. Isso levou a uma corrida para desenvolver eletrólitos que possam facilitar o carregamento rápido de 5 minutos e permitir ânodos de metal de lítio – a chave para alta energia. A descoberta de eletrólitos sólidos que possuem alta estabilidade eletroquímica com metal Li e eletrólitos sólidos de sulfeto com condutividades iônicas maiores que as de qualquer eletrólito líquido estimulou uma mudança na comunidade de pesquisa em direção aos SSBs. Embora estas descobertas tenham semeado a promessa de que os SSBs podem permitir a visão de um carregamento rápido e uma duplicação da densidade de energia, a realização desta promessa só é viável se o comportamento mecânico dos materiais da bateria for completamente compreendido e a mecânica multiescala for integrada no desenvolvimento dos SSBs. .

PERSPECTIVAS

Vários desafios importantes devem ser enfrentados, incluindo (i) revestimento não uniforme de lítio em uma superfície sólida de eletrólito e deposição de lítio metálico dentro do eletrólito sólido; (ii) perda de contato interfacial dentro da célula como resultado das alterações de volume associadas ao ciclo eletroquímico que ocorre nos contatos dos eletrodos e também nos limites dos grãos; e (iii) processos de fabricação para formar SSBs com um eletrólito sólido muito fino e um mínimo de componentes inativos, incluindo ligantes e suportes estruturais. A mecânica é um denominador comum que conecta esses problemas. A deposição de lítio metálico nos defeitos de superfície e volume de um eletrólito sólido cerâmico resulta em altas tensões locais que podem levar à fratura do eletrólito com maior propagação de lítio metálico nas trincas. Na fabricação, como requisito mínimo, as pilhas de eletrólitos catódicos devem possuir resistência suficiente para suportar as forças aplicadas pelo equipamento. Uma melhor compreensão da mecânica dos materiais SSBserá transferido para o desenvolvimento de eletrólitos sólidos, cátodos, ânodos e arquiteturas de células, bem como baterias projetadas para gerenciar as tensões de fabricação e operação de baterias.

Figura 1 Diagrama esquemático de baterias de estado sólido de metal de lítio, mecânica e fenômenos de transporte.

Figura 2 Escala de comprimento e mecânica dependente da taxa do metal de lítio.

Figura 3 A plasticidade é desencadeada pela densificação e fluxo de cisalhamento em materiais amorfos e endurecida pela introdução de discordâncias em cerâmicas cristalinas, evitando assim a fratura.

Figura 4 Recuperação de deformação em LiPON, resultando em comportamento semelhante a histerese durante carregamento cíclico de nanoindentação.

Figura 5 Danos por fadiga do cátodo sólido composto.

Figura 6 Diagrama esquemático da propagação do lítio através do eletrólito sólido.