Baterías de estado sólido: el papel fundamental de la mecánica

Sergiy Kalnaus, et al. Baterías de estado sólido: el papel fundamental de la mecánica. Ciencia. 381, 1300 (2023).

Las baterías de estado sólido con ánodos de litio metálico tienen el potencial de ofrecer una mayor densidad de energía, una vida útil más larga, una temperatura de funcionamiento más amplia y una mayor seguridad. Aunque la mayor parte de la investigación se ha centrado en mejorar la cinética del transporte y la estabilidad electroquímica de los materiales y las interfaces, también existen desafíos críticos que requieren la investigación de la mecánica de los materiales. En baterías con interfaces sólido-sólido, los contactos mecánicos y el desarrollo de tensiones durante el funcionamiento de las baterías de estado sólido se vuelven tan críticos como la estabilidad electroquímica para mantener una transferencia de carga constante en estas interfaces. Esta revisión se centrará en el estrés y la tensión que resultan del ciclo normal y prolongado de la batería y los mecanismos asociados para aliviar el estrés, algunos de los cuales conducen a fallas de estas baterías.

ANTECEDENTES

Las baterías de estado sólido (SSB) tienen importantes ventajas potenciales sobre las baterías tradicionales de iones de litio utilizadas en teléfonos y vehículos eléctricos cotidianos. Entre estas ventajas potenciales se encuentra una mayor densidad de energía y una carga más rápida. Un separador de electrolitos sólidos también puede proporcionar una vida útil más larga, una temperatura de funcionamiento más amplia y una mayor seguridad debido a la ausencia de disolventes orgánicos inflamables. Uno de los aspectos críticos de las SSB es la respuesta de tensión de su microestructura a los cambios dimensionales (deformaciones) impulsados ​​por el transporte masivo. Las tensiones de composición en las partículas catódicas también se producen en las baterías de electrolito líquido, pero en las SSB estas tensiones provocan problemas de mecánica de contacto entre las partículas de los electrodos que se expanden o se contraen y el electrolito sólido. En el lado del ánodo, el revestimiento de litio metálico crea su propio estado de tensión complejo en la interfaz con el electrolito sólido. Una característica crítica de las SSB es que dicho recubrimiento puede ocurrir no sólo en la interfaz electrodo-electrolito sino dentro del propio electrolito sólido, dentro de sus poros o a lo largo de los límites de los granos. Esta deposición confinada de litio crea áreas con alta tensión hidrostática capaces de iniciar fracturas en el electrolito. Aunque la mayoría de las fallas en las SSB se deben a la mecánica, la mayor parte de la investigación se ha dedicado a mejorar el transporte de iones y la estabilidad electroquímica de los electrolitos. Como un intento de cerrar esta brecha, en esta revisión presentamos un marco mecánico para las bebidas azucaradas y examinamos investigaciones líderes en el campo, centrándonos en los mecanismos mediante los cuales se genera, previene y alivia el estrés.

AVANCES

El impulso hacia los recursos renovables requiere el desarrollo de baterías de próxima generación con densidades de energía más del doble que las baterías actuales y que puedan cargarse en 5 minutos o menos. Esto ha llevado a una carrera para desarrollar electrolitos que puedan facilitar una carga rápida de 5 minutos y habilitar ánodos de metal Li, la clave para obtener alta energía. El descubrimiento de electrolitos sólidos que tienen una alta estabilidad electroquímica con Li metal y electrolitos sólidos de sulfuro con conductividades iónicas mayores que las de cualquier electrolito líquido ha estimulado un cambio en la comunidad investigadora hacia las SSB. Aunque estos descubrimientos han sembrado la promesa de que las SSB pueden permitir la visión de una carga rápida y una duplicación de la densidad de energía, la realización de esta promesa sólo es factible si se comprende completamente el comportamiento mecánico de los materiales de las baterías y se integra la mecánica multiescala en el desarrollo de las SSB. .

PERSPECTIVAS

Se deben abordar varios desafíos clave, incluidos (i) el recubrimiento de litio no uniforme sobre una superficie de electrolito sólido y la deposición de litio metálico dentro del electrolito sólido; (ii) pérdida de contacto interfacial dentro de la celda como resultado de los cambios de volumen asociados con el ciclo electroquímico que ocurre en los contactos de los electrodos y también en los límites de los granos; y (iii) procesos de fabricación para formar SSB con un electrolito sólido muy delgado y un mínimo de componentes inactivos, incluidos aglutinantes y soportes estructurales. La mecánica es un denominador común que conecta estos problemas. La deposición de litio metálico en la superficie y los defectos de volumen de un electrolito sólido cerámico da como resultado altas tensiones locales que pueden conducir a la fractura del electrolito con una mayor propagación del litio metálico hacia las grietas. En la fabricación, como requisito mínimo, las pilas de cátodo y electrolito deben poseer suficiente resistencia para soportar las fuerzas aplicadas por el equipo. Una mejor comprensión de la mecánica de los materiales SSBse transferirá al desarrollo de electrolitos sólidos, cátodos, ánodos y arquitecturas de celdas, así como paquetes de baterías diseñados para gestionar las tensiones de la fabricación y el funcionamiento de las baterías.

Figura 1 Diagrama esquemático de baterías de estado sólido de metal litio, mecánica y fenómenos de transporte.

Figura 2 Escala de longitud y mecánica dependiente de la velocidad del litio metálico.

Figura 3 La plasticidad se desencadena por la densificación y el flujo de corte en materiales amorfos y se endurece mediante la introducción de dislocaciones en cerámicas cristalinas, evitando así la fractura.

Figura 4 Recuperación de la deformación en LiPON, lo que resulta en un comportamiento similar a la histéresis durante la carga cíclica de nanoindentación.

Figura 5 Daño por fatiga del cátodo sólido compuesto.

Figura 6 Diagrama esquemático de la propagación del litio a través de un electrolito sólido.