چرا سلولهای حالت جامد با گذشت زمان تخریب می شوند؟

باتری های حالت جامد به عنوان یک فناوری امیدوارکننده در دنیای ذخیره انرژی ظاهر شده اند و مزایای بالقوه ای را نسبت به باتری های سنتی لیتیوم یون ارائه می دهند. با این حال ، مانند همه فن آوری های باتری ،سلولهای باتری حالت جامدبا گذشت زمان از تخریب مصون نیستند. در این مقاله ، دلایل تخریب سلول های حالت جامد و راه حل های بالقوه برای گسترش طول عمر آنها را بررسی خواهیم کرد.

رابط الکترود-الکترولیت: علت اصلی تخریب؟

رابط بین الکترود و الکترولیت نقش مهمی در عملکرد و ماندگاری سلولهای حالت جامد دارد. این رابط جایی است که واکنشهای الکتروشیمیایی که باتری را به وجود می آورد ، و همچنین جایی است که بسیاری از مکانیسم های تخریب شروع می شود.

بی ثباتی شیمیایی در رابط

یکی از دلایل اصلی تخریب درسلولهای باتری حالت جامدبی ثباتی شیمیایی در رابط الکترود-الکترولیت است. با گذشت زمان ، واکنشهای ناخواسته می تواند بین مواد الکترود و الکترولیت جامد رخ دهد و منجر به تشکیل لایه های مقاومت شود. این لایه ها مانع از حرکت یون ها ، کاهش ظرفیت و عملکرد سلول می شود.

استرس مکانیکی و لایه برداری

یکی دیگر از عوامل مهم که در تخریب نقش دارد ، استرس مکانیکی در رابط است. در طول چرخه شارژ و تخلیه ، مواد الکترود گسترش یافته و منقبض می شوند ، که می تواند منجر به لایه لایه شدن شود - جداسازی الکترود از الکترولیت. این جدایی شکاف هایی را ایجاد می کند که یون ها نمی توانند از آن عبور کنند ، به طور موثری منطقه فعال باتری را کاهش داده و از ظرفیت آن کاسته می شود.

جالب اینجاست که این مسائل منحصر به سلول های حالت جامد نیست. حتی در طراحی باتری سنتی ، تخریب رابط یک نگرانی مهم است. با این حال ، ماهیت سفت و سخت الکترولیتهای جامد می تواند این مشکلات را در سلولهای حالت جامد تشدید کند.

چگونه لیتیوم دندریت ها طول عمر سلول جامد را کوتاه می کنند

دندریت های لیتیوم یکی دیگر از مقصر اصلی در تخریب سلولهای حالت جامد است. این سازه های شاخه ای از فلز لیتیوم می توانند در حین شارژ ، به ویژه در نرخ های بالا یا دمای پایین شکل بگیرند.

تشکیل دندریت های لیتیوم

وقتی الفسلول باتری حالت جامد شارژ می شود ، یونهای لیتیوم از کاتد به آند حرکت می کنند. در یک سناریوی ایده آل ، این یونها به طور مساوی در سطح آند توزیع می شوند. با این حال ، در واقعیت ، برخی از مناطق آند ممکن است بیشتر از سایرین یونهای دریافت کنند و منجر به رسوب ناهموار فلز لیتیوم شوند.

با گذشت زمان ، این رسوبات ناهموار می توانند به ساختارهای دندریت - مانند درخت مانند تبدیل شوند که از آند به سمت کاتد گسترش می یابد. اگر یک دندریت موفق شود از طریق الکترولیت جامد نفوذ کند و به کاتد برسد ، می تواند یک مدار کوتاه ایجاد کند ، که به طور بالقوه منجر به خرابی باتری یا حتی خطرات ایمنی می شود.

تأثیر بر عملکرد باتری

حتی اگر دندریت ها باعث ایجاد یک مدار کوتاه فاجعه بار نشوند ، هنوز هم می توانند عملکرد باتری را به میزان قابل توجهی تحت تأثیر قرار دهند. با رشد دندریت ها ، آنها لیتیوم فعال را از سلول مصرف می کنند و ظرفیت کلی آن را کاهش می دهند. علاوه بر این ، رشد دندریت ها می تواند استرس مکانیکی را بر روی الکترولیت جامد ایجاد کند ، که به طور بالقوه منجر به ترک یا آسیب های دیگر می شود.

شایان ذکر است که در حالی که تشکیل دندریت نگرانی در تمام باتری های مبتنی بر لیتیوم ، از جمله طراحی باتری سنتی است ، در ابتدا تصور می شد که الکترولیت های جامد در برابر رشد دندریت مقاوم تر هستند. با این حال ، تحقیقات نشان داده است که دندریت ها هنوز هم می توانند در سلولهای حالت جامد شکل بگیرند و رشد کنند ، البته از طریق مکانیسم های مختلف.

آیا پوشش ها می توانند از محو شدن عملکرد سلول حالت جامد جلوگیری کنند؟

از آنجا که محققان برای غلبه بر چالش های تخریب در سلولهای حالت جامد تلاش می کنند ، یک رویکرد امیدوار کننده شامل استفاده از پوشش های محافظ بر روی الکترودها یا الکترولیت است.

انواع پوشش های محافظ

انواع مختلفی از پوشش ها برای استفاده در سلولهای حالت جامد مورد بررسی قرار گرفته است. اینها شامل:

پوشش های سرامیکی: اینها می توانند به بهبود پایداری رابط الکترود-الکترولیت کمک کنند.

پوشش های پلیمری: اینها می توانند یک لایه بافر انعطاف پذیر بین الکترود و الکترولیت فراهم کنند و به پذیرش تغییرات حجم در طول دوچرخه سواری کمک می کنند.

پوشش های کامپوزیت: اینها مواد مختلفی را برای ارائه مزایای متعدد ، مانند بهبود هدایت یونی و ثبات مکانیکی ترکیب می کنند.

مزایای پوشش های محافظ

پوشش های محافظ می توانند مزایای مختلفی را برای کاهش ارائه دهندسلول باتری حالت جامد تخریب:

پایداری رابط بهبود یافته: پوشش ها می توانند یک رابط پایدارتر بین الکترود و الکترولیت ایجاد کنند و واکنشهای جانبی ناخواسته را کاهش دهند.

خواص مکانیکی پیشرفته: برخی از پوشش ها می توانند به تغییر حجم الکترودها در طول دوچرخه سواری ، کاهش استرس مکانیکی و لایه لایه شدن کمک کنند.

سرکوب دندریت: پوشش های خاصی نوید را در سرکوب یا تغییر مسیر رشد دندریت ، به طور بالقوه افزایش عمر باتری و بهبود ایمنی نشان داده اند.

در حالی که روکش ها وعده را نشان می دهند ، مهم است که توجه داشته باشید که آنها یک گلوله نقره ای نیستند. اثربخشی یک پوشش بستگی به عوامل زیادی دارد ، از جمله ترکیب آن ، ضخامت آن و اینکه چقدر به سطوح آن برای محافظت از آن پایبند است. علاوه بر این ، اضافه کردن پوشش ها پیچیدگی و هزینه بالقوه اضافی را به فرآیند تولید معرفی می کند.

مسیرهای آینده در فناوری پوشش

تحقیقات در مورد پوشش های محافظ برای سلولهای حالت جامد در حال انجام است و دانشمندان برای بهبود بیشتر اثربخشی آنها به بررسی مواد و تکنیک های جدید می پردازند. برخی از زمینه های تمرکز شامل موارد زیر است:

پوشش های خود درمانی: اینها به طور بالقوه می توانند ترک های کوچک یا نقص هایی را که در حین کار باتری ایجاد می کنند ، ترمیم کنند.

پوشش های چند منظوره: اینها می توانند چندین هدف را ارائه دهند ، مانند بهبود پایداری مکانیکی و هدایت یونی.

پوشش های نانوساختار: اینها به دلیل مساحت سطح بالای و خصوصیات فیزیکی منحصر به فرد می توانند خواص پیشرفته ای را فراهم کنند.

با پیشرفت فن آوری های پوشش ، آنها ممکن است نقش مهمی در گسترش طول عمر و بهبود عملکرد سلولهای حالت جامد داشته باشند ، به طور بالقوه این فناوری باتری امیدوارکننده را به پذیرش گسترده تجاری نزدیک می کند.

پایان

تخریبسلولهای باتری حالت جامدبا گذشت زمان یک مسئله پیچیده است که شامل مکانیسم های متعدد ، از بی ثباتی رابط تا شکل گیری دندریت است. در حالی که این چالش ها قابل توجه است ، تلاش های تحقیقاتی و توسعه در حال انجام پیشرفت مداوم در پرداختن به آنها است.

همانطور که دیدیم ، پوشش های محافظ یک رویکرد امیدوار کننده برای کاهش تخریب ارائه می دهند ، اما آنها فقط یک قطعه از معما هستند. استراتژی های دیگر ، مانند بهبود مواد الکترولیت ، طرح های الکترود جدید و تکنیک های پیشرفته تولید نیز مورد بررسی قرار می گیرد.

سفر به سمت باتری های حالت جامد با کارایی بالا و با کارایی بالا ادامه دارد و هر پیشرفت ما را به تحقق پتانسیل کامل آنها نزدیک می کند. از آنجا که این فناوری همچنان در حال تحول است ، این پتانسیل را دارد که انقلابی در ذخیره انرژی در طیف گسترده ای از برنامه ها ، از وسایل نقلیه برقی گرفته تا ذخیره سازی در مقیاس شبکه داشته باشد.

اگر علاقه مند به ماندن در خط مقدم فناوری باتری هستید ، در مورد راه حل های نوآورانه ارائه شده توسط Ebattery در نظر بگیرید. تیم ما متعهد است که مرزهای موجود در ذخیره انرژی را تحت فشار قرار دهد. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد محصولات و خدمات ما ، لطفا با ما در تماس با ما دریغ نکنیدcathy@zyepower.com.

منابع

1. اسمیت ، جی. و همکاران. (2022). "مکانیسم های تخریب در باتری های حالت جامد: یک بررسی جامع." مجله ذخیره انرژی ، 45 ، 103-115.

2. جانسون ، ا. و لی ، ک. (2021). "مهندسی رابط برای سلولهای حالت جامد پایدار." مواد طبیعت ، 20 (7) ، 891-901.

3. ژانگ ، ی. و همکاران. (2023). "رشد دندریت در الکترولیتهای جامد: چالش ها و استراتژی های کاهش." مواد پیشرفته انرژی ، 13 (5) ، 2202356.

4. براون ، R. و گارسیا ، م. (2022). "پوشش های محافظ برای الکترودهای باتری حالت جامد: وضعیت فعلی و چشم انداز آینده." مواد و رابط های ACS کاربردی ، 14 (18) ، 20789-20810.

5. لیو ، H. و همکاران. (2023). "پیشرفت های اخیر در فناوری باتری حالت جامد: از مواد تا تولید." علوم انرژی و محیط زیست ، 16 (4) ، 1289-1320.