Kodėl laikui bėgant keičiasi kietosios kūno ląstelės?

Kietosios būklės baterijos tapo perspektyvi technologija energijos kaupimo pasaulyje, suteikiančioje galimus pranašumus, palyginti su tradicinėmis ličio jonų baterijomis. Tačiau, kaip ir visos akumuliatoriaus technologijos,kietojo kūno akumuliatoriaus elementailaikui bėgant nėra apsaugoti nuo skilimo. Šiame straipsnyje mes išnagrinėsime kietojo kūno ląstelių skilimo priežastis ir galimus sprendimus, leidžiančius pratęsti jų gyvenimo trukmę.

Elektrodų-elektrolito sąsaja: pagrindinė skilimo priežastis?

Elektrodo ir elektrolito sąsaja vaidina lemiamą vaidmenį kietuosius ląstelių našumą ir ilgaamžiškumą. Ši sąsaja yra ten, kur elektrocheminės reakcijos, maitinančios akumuliatorių, taip pat yra ir ten, kur prasideda daugybė skilimo mechanizmų.

Cheminis nestabilumas sąsajoje

Viena iš pagrindinių skilimo priežasčiųkietojo kūno akumuliatoriaus elementaiyra cheminis nestabilumas elektrodo-elektrolito sąsajoje. Laikui bėgant tarp elektrodo medžiagų ir kietojo elektrolito gali atsirasti nepageidaujamų reakcijų, dėl kurių susidaro atsparumo sluoksniai. Šie sluoksniai trukdo judėti jonais, sumažindami ląstelės talpą ir našumą.

Mechaninis stresas ir delaminimas

Kitas reikšmingas veiksnys, prisidedantis prie skilimo, yra mechaninis stresas sąsajoje. Įkrovimo ir iškrovimo ciklų metu elektrodo medžiagos išsiplečia ir susitraukia, o tai gali sukelti delaminaciją - elektrodo atskyrimas nuo elektrolito. Šis atskyrimas sukuria spragas, kurių jonai negali kirsti, veiksmingai sumažindami aktyvią akumuliatoriaus plotą ir mažindami jo talpą.

Įdomu tai, kad šie klausimai nėra būdingi tik kietojo kūno ląstelėse. Net ir tradiciniuose akumuliatorių dizaine sąsajos degradacija kelia didelį susirūpinimą. Tačiau griežtas kietųjų elektrolitų pobūdis gali sustiprinti šias problemas kietojo kūno ląstelėse.

Kaip ličio dendritai sutrumpina kietojo kūno ląstelių gyvenimo trukmę

Ličio dendritai yra dar vienas svarbus kaltininkas kietų būsenų ląstelių skilime. Šios ličio metalo išsišakojimo struktūros gali susidaryti įkrovimo metu, ypač esant aukštam greičiui ar žemai temperatūrai.

Ličio dendritų formavimasis

Kai akietojo kūno akumuliatoriaus elementas yra įkrautas, ličio jonai juda iš katodo į anodą. Idealiame scenarijuje šie jonai būtų tolygiai pasiskirstę per anodo paviršių. Tačiau iš tikrųjų kai kuriose anodo srityse gali būti daugiau jonų nei kitose, todėl ličio metalo nusėdimas netolygiai.

Laikui bėgant, šios nelygios nuosėdos gali išaugti į dendritus - į medį panašias struktūras, kurios tęsiasi nuo anodo link katodo. Jei dendritas sugeba prasiskverbti pro kietą elektrolitą ir pasiekti katodą, jis gali sukelti trumpą jungimą, kuris gali sukelti akumuliatoriaus gedimą ar net saugos pavojų.

Poveikis akumuliatoriaus našumui

Net jei dendritai nesukelia katastrofiško trumpojo jungimo, jie vis tiek gali turėti didelę įtaką akumuliatoriaus našumui. Augant dendritams, jie sunaudoja aktyvųjį ličio iš ląstelės, mažindami bendrą jos pajėgumą. Be to, dendritų augimas gali sukelti kieto elektrolito mechaninį įtempį, kuris gali sukelti įtrūkimus ar kitus pažeidimus.

Verta paminėti, kad nors dendrito formavimas kelia susirūpinimą visose ličio pagrindu sukurtose baterijose, įskaitant tradicinius akumuliatorių dizainus, iš pradžių buvo manoma, kad kieti elektrolitai bus atsparesni dendrito augimui. Tačiau tyrimai parodė, kad dendritai vis dar gali susidaryti ir augti kietojo kūno ląstelėse, nors ir naudojant skirtingus mechanizmus.

Ar dangos gali išvengti kietojo kūno ląstelių našumo?

Kai tyrėjai stengiasi įveikti skilimo iššūkius kietojo kūno ląstelėse, vienas perspektyvus požiūris apima apsauginių dangų naudojimą ant elektrodų ar elektrolito.

Apsauginių dangų tipai

Buvo tiriamos įvairių tipų dangos, skirtos naudoti kietojo kūno ląstelėse. Tai apima:

Keraminės dangos: Tai gali padėti pagerinti elektrodų-elektrolio sąsajos stabilumą.

Polimerų dangos: Tai gali suteikti lanksčią buferio sluoksnį tarp elektrodo ir elektrolito, padedant patenkinti tūrio pokyčius dviračių metu.

Kompozicinės dangos: Šie sujungiami skirtingos medžiagos, kad būtų teikiamos daug naudos, pavyzdžiui, patobulintas joninis laidumas ir mechaninis stabilumas.

Apsauginių dangų pranašumai

Apsauginės dangos gali pasiūlyti keletą privalumų sušvelninantkietojo kūno akumuliatoriaus elementas skilimas:

Patobulintas sąsajos stabilumas: dangos gali sukurti stabilesnę sąsają tarp elektrodo ir elektrolito, sumažindamos nepageidaujamas šonines reakcijas.

Patobulintos mechaninės savybės: Kai kurios dangos gali padėti pritaikyti tūrio elektrodų pokyčius ciklo metu, sumažinti mechaninį įtempį ir delaminaciją.

Dendrito slopinimas: tam tikros dangos parodė pažadą slopinti ar nukreipti dendrito augimą, potencialiai prailginti akumuliatoriaus veikimo laiką ir pagerinti saugumą.

Nors dangos rodo pažadą, svarbu pastebėti, kad jos nėra sidabrinė kulka. Dangos veiksmingumas priklauso nuo daugelio veiksnių, įskaitant jos sudėtį, storią ir nuo to, ar ji gerai prilimpa prie paviršių, kuriuos ji skirta apsaugoti. Be to, pridedant dangų, gamybos procesui suteikiama papildoma sudėtingumas ir galimo išlaidos.

Ateities dengimo technologijos kryptys

Tęsiami kietojo kūno ląstelių apsauginių dangų tyrimai, mokslininkai tyrinėja naujas medžiagas ir metodus, kad dar labiau pagerintų jų veiksmingumą. Kai kurios dėmesio sritys apima:

Savarankiškos gydymo dangos: Tai gali ištaisyti mažus įtrūkimus ar defektus, susidarančius atliekant akumuliatorių.

Daugiafunkcinės dangos: jos gali būti naudojamos keliems tikslams, pavyzdžiui, pagerinti tiek mechaninį stabilumą, tiek joninį laidumą.

Nanostruktūrizuotos dangos: jos gali suteikti padidėjusias savybes dėl jų aukšto paviršiaus ploto ir unikalių fizinių savybių.

Tobulėjant dengimo technologijoms, jos gali vaidinti vis svarbesnį vaidmenį pratęsiant eksploatavimo laiką ir gerinant kietojo kūno ląstelių našumą, potencialiai priartinant šią perspektyvią akumuliatoriaus technologiją prie plačiai paplitusios komercinės priėmimo.

Išvada

The degradation ofkietojo kūno akumuliatoriaus elementaiLaikui bėgant yra sudėtingas klausimas, apimantis kelis mechanizmus, pradedant sąsajos nestabilumu ir baigiant dendrito formavimu. Nors šie iššūkiai yra reikšmingi, nuolatinės tyrimų ir plėtros pastangos daro nuolatinę pažangą juos spręsti.

Kaip mes matėme, apsauginės dangos siūlo vieną perspektyvų požiūrį į skilimo mažinimą, tačiau jos yra tik vienas dėlionės gabalas. Taip pat tiriamos kitos strategijos, tokios kaip patobulintos elektrolitų medžiagos, nauji elektrodų dizainai ir pažengusios gamybos būdai, taip pat nagrinėjamos.

Kelionė link ilgalaikių, aukštos kokybės kietojo kūno akumuliatorių tęsiasi, ir kiekviena pažanga priartina mus prie viso savo potencialo. Toliau tobulėjant šiems technologijoms, ji gali revoliucionizuoti energijos kaupimą įvairiose programose, pradedant nuo elektrinių transporto priemonių iki tinklo masto saugojimo.

Jei norite būti akumuliatorių technologijos priešakyje, apsvarstykite galimybę ištirti novatoriškus „Ebattery“ siūlomus sprendimus. Mūsų komanda yra įsipareigojusi peržengti energijos kaupimo ribas. Norėdami gauti daugiau informacijos apie mūsų produktus ir paslaugas, nedvejodami susisiekite su mumiscathy@zyepower.com.

Nuorodos

1. Smith, J. ir kt. (2022). "Skilimo mechanizmai kietojo kūno akumuliatoriuose: išsami apžvalga". Žurnalas „Energy Storage“, 45, 103–115.

2. Johnsonas, A. ir Lee, K. (2021). "Sąsajos inžinerija stabilioms kietojo kūno ląstelėms". Gamtos medžiagos, 20 (7), 891–901.

3. Zhang, Y. et al. (2023). "Dendrito augimas kietų elektrolitų augimas: iššūkiai ir švelninimo strategijos". Išplėstinės energijos medžiagos, 13 (5), 2202356.

4. Brown, R. ir Garcia, M. (2022). "Apsauginės kietojo kūno akumuliatorių elektrodų dangos: srovės būklė ir ateities perspektyvos". ACS taikomosios medžiagos ir sąsajos, 14 (18), 20789-20810.

5. Liu, H. ir kt. (2023). "Naujausi kietojo kūno akumuliatorių technologijos pasiekimai: nuo medžiagų iki gamybos." Energetikos ir aplinkos mokslas, 16 (4), 1289–1320.