حل مسائل مربوط به تغییر حجم در آنگاههای سلول باتری حالت جامد

توسعهسلول باتری حالت جامد این فناوری وعده می دهد که در ذخیره سازی انرژی متحول شود ، چگالی انرژی بالاتری و ایمنی بهبود یافته در مقایسه با باتری های سنتی لیتیوم یون ارائه می دهد. با این حال ، یکی از مهمترین چالش های پیش روی این فناوری امیدوارکننده ، مسئله تغییرات حجم در آند در طی چرخه شارژ و تخلیه است. این پست وبلاگ به دلایل گسترش آند در سلولهای حالت جامد می پردازد و راه حل های نوآورانه برای کاهش این مشکل را بررسی می کند و از عملکرد پایدار بلند مدت اطمینان می دهد.

چرا آندها در سلولهای باتری حالت جامد گسترش می یابند؟

درک علت اصلی گسترش آند برای توسعه راه حل های مؤثر بسیار مهم است. درسلول باتری حالت جامد طرح ها ، آند به طور معمول از آلیاژهای فلزی لیتیوم یا لیتیوم تشکیل شده است که چگالی انرژی بالایی دارند اما در طول دوچرخه سواری مستعد تغییر حجم قابل توجهی هستند.

فرآیند آبکاری و سلب لیتیوم

در حین شارژ ، یون های لیتیوم از کاتد به آند ، جایی که به عنوان لیتیوم فلزی سپرده می شوند ، حرکت می کنند. این فرآیند باعث گسترش آند می شود. برعکس ، در هنگام ترخیص ، لیتیوم از آند سلب می شود و باعث انقباض آن می شود. این چرخه های مکرر انبساط و انقباض می تواند منجر به چندین موضوع شود:

1. استرس مکانیکی روی الکترولیت جامد

2. تشکیل حفره ها در رابط آند-الکترولیت

3. لایه لایه شدن بالقوه اجزای سلولی

4- افزایش مقاومت داخلی

5. کاهش عمر چرخه و حفظ ظرفیت

نقش الکترولیتهای جامد

بر خلاف الکترولیت های مایع در باتری های سنتی لیتیوم یون ، الکترولیتهای جامد در سلولهای حالت جامد نمی توانند به راحتی تغییرات حجم را در خود جای دهند. این استحکام مشکلات ناشی از گسترش آند را تشدید می کند ، در صورت عدم رسیدگی به درستی منجر به خرابی سلول می شود.

راه حل های جدید برای تورم حجم در آنده های فلزی لیتیوم

محققان و مهندسان در حال بررسی رویکردهای مختلف نوآورانه برای کاهش موضوعات تغییر حجم هستندسلول باتری حالت جامد آنه ها این راه حل ها با هدف حفظ تماس پایدار بین آند و الکترولیت جامد در حالی که تغییرات حجم اجتناب ناپذیر است.

رابط ها و روکش های مهندسی شده

یک رویکرد امیدوار کننده شامل توسعه پوشش های تخصصی و لایه های رابط بین آند فلزی لیتیوم و الکترولیت جامد است. این رابط های مهندسی شده چندین هدف را ارائه می دهند:

1. بهبود حمل و نقل یونی لیتیوم

2. کاهش مقاومت سطحی

3. پذیرش تغییرات حجم

4- جلوگیری از تشکیل دندریت

به عنوان مثال ، محققان استفاده از روکش های سرامیکی اولتراتین را مورد بررسی قرار داده اند که می توانند ضمن حفظ خصوصیات محافظ خود ، انعطاف پذیر و تغییر شکل دهند. این پوشش ها به توزیع استرس به طور مساوی کمک می کنند و از تشکیل ترک ها در الکترولیت جامد جلوگیری می کنند.

آندهای ساختاری سه بعدی

راه حل نوآورانه دیگر شامل طراحی ساختارهای آند سه بعدی است که می تواند تغییرات حجم را بهتر در خود جای دهد. این ساختارها شامل موارد زیر است.

1. چارچوب های متخلخل لیتیوم فلزی

2. داربستهای مبتنی بر کربن با رسوب لیتیوم

3. آلیاژهای لیتیوم نانوساختار

این ساختارهای سه بعدی با فراهم کردن فضای اضافی برای انبساط و ایجاد رسوب لیتیوم یکنواخت تر ، می توانند استرس مکانیکی را بر روی اجزای سلولی کاهش داده و عمر چرخه را بهبود بخشند.

آیا آنده های کامپوزیت می توانند عملکرد سلول باتری حالت جامد را تثبیت کنند؟

آندس های کامپوزیت یک خیابان امیدوار کننده برای پرداختن به مسائل مربوط به تغییر حجم درسلول باتری حالت جامد طرح ها محققان با ترکیب مواد مختلف با خصوصیات مکمل ، آندهایی را ایجاد می کنند که تراکم انرژی بالایی را ارائه می دهند در حالی که اثرات منفی تغییرات حجم را کاهش می دهند.

آندهای کامپوزیت لیتیوم سیلیکون

سیلیکون به دلیل ظرفیت نظری بالای آن برای ذخیره سازی لیتیوم شناخته شده است ، اما همچنین از تغییرات حجم شدید در طول دوچرخه سواری رنج می برد. محققان با ترکیب سیلیکون با فلز لیتیوم در نانوساختارهای با دقت طراحی شده ، آندهای کامپوزیتی را ارائه داده اند که ارائه می دهند:

1. چگالی انرژی بالاتر از فلز لیتیوم خالص

2. ثبات ساختاری بهبود یافته

3. زندگی بهتر چرخه

4- گسترش حجم کلی کاهش یافته است

این آندهای کامپوزیت در حالی که از مؤلفه فلزی لیتیوم برای تغییر حجم بافر و حفظ تماس الکتریکی خوبی استفاده می کنند ، از ظرفیت بالای سیلیکون استفاده می کنند.

الکترولیتهای هیبریدی پلیمر و سرامیک

در حالی که کاملاً بخشی از آند نیست ، الکترولیتهای ترکیبی که اجزای سرامیکی و پلیمری را ترکیب می کنند می توانند نقش مهمی در پذیرش تغییرات حجم داشته باشند. این مواد ارائه می دهند:

1. انعطاف پذیری بهبود یافته در مقایسه با الکترولیت های سرامیکی خالص

2. خصوصیات مکانیکی بهتر از الکترولیتهای پلیمری به تنهایی

3. تماس بین سطحی پیشرفته با آند

4- پتانسیل برای خواص خود درمانی

با استفاده از این الکترولیتهای ترکیبی ، سلولهای حالت جامد می توانند در برابر فشارهای ناشی از تغییرات حجم آند مقاومت کنند و منجر به بهبود ثبات و عملکرد طولانی مدت شوند.

وعده هوش مصنوعی در طراحی مواد

از آنجا که زمینه تحقیقات باتری حالت جامد همچنان در حال تکامل است ، هوش مصنوعی (AI) و تکنیک های یادگیری ماشین به طور فزاینده ای برای تسریع در کشف و بهینه سازی مواد استفاده می شود. این رویکردهای محاسباتی چندین مزیت ارائه می دهد:

1. غربالگری سریع مواد و کامپوزیت های بالقوه آند

2. پیش بینی خصوصیات و رفتار مواد

3. بهینه سازی سیستم های پیچیده چند جزء

4- شناسایی ترکیبات غیر منتظره مواد

محققان با اعمال استفاده از طراحی مواد محور AI ، ترکیبات و ساختارهایی جدید آند را توسعه می دهند که می توانند ضمن حفظ یا حتی بهبود تراکم انرژی و عمر چرخه ، به طور مؤثر مشکل تغییر حجم را حل کنند.

پایان

پرداختن به مسائل مربوط به تغییر حجم در آنده های سلول باتری حالت جامد برای تحقق پتانسیل کامل این فناوری امیدوار کننده بسیار مهم است. محققان از طریق رویکردهای نوآورانه مانند رابط های مهندسی شده ، آنگه های ساختاری سه بعدی و مواد کامپوزیت ، در بهبود ثبات و عملکرد گام های مهمی دارندسلولهای باتری حالت جامد.

از آنجا که این راه حل ها همچنان در حال تکامل و بالغ هستند ، می توان انتظار داشت که باتری های حالت جامد را مشاهده کنیم که چگالی انرژی ، ایمنی و طول عمر بی سابقه ای را ارائه می دهند. این پیشرفت ها پیامدهای گسترده ای برای وسایل نقلیه برقی ، الکترونیک قابل حمل و ذخیره انرژی در مقیاس شبکه خواهد داشت.

در Ebattery ، ما متعهد هستیم که در خط مقدم فناوری باتری حالت جامد بمانیم. تیم متخصصان ما دائماً در حال بررسی مواد و طرح های جدید برای غلبه بر چالش های پیش روی این زمینه هیجان انگیز هستند. اگر علاقه مند به کسب اطلاعات بیشتر در مورد راه حل های باتری حالت جامد ما هستیم و یا سؤالی دارید ، لطفاً در دستیابی به ما دریغ نکنیدcathy@zyepower.comبشر با هم ، ما می توانیم آینده ای تمیزتر و کارآمدتر را تأمین کنیم.

منابع

1. ژانگ ، جی. ، و همکاران. (2022). "استراتژی های پیشرفته برای تثبیت آنگاههای فلزی لیتیوم در باتری های حالت جامد." انرژی طبیعت ، 7 (1) ، 13-24.

2. لیو ، ی. ، و همکاران. (2021). "آندهای کامپوزیت برای باتری های لیتیوم حالت جامد: چالش ها و فرصت ها." مواد پیشرفته انرژی ، 11 (22) ، 2100436.

3. Xu ، R. ، et al. (2020). "interphases مصنوعی برای آند فلزی لیتیوم بسیار پایدار." ماده ، 2 (6) ، 1414-1431.

4. چن ، X. ، و همکاران. (2023). "آندهای سه بعدی برای باتری های لیتیوم با حالت جامد: اصول طراحی و پیشرفت های اخیر." مواد پیشرفته ، 35 (12) ، 2206511.

5. وانگ ، ج. ، و همکاران. (2022). "طراحی به کمک ماشین از الکترولیتهای جامد با هدایت یونی برتر." ارتباطات طبیعت ، 13 (1) ، 1-10.