Коэффициенты механического напряжения во время циклов заряда/сброса
Одной из основных причин ухудшения твердотельных батарей во время велосипеда является механическое напряжение, испытываемое компонентами батареи. В отличие от жидких электролитов, используемых в обычных батареях, твердые электролиты втвердотельные батареиявляются менее гибкими и более подверженными растрескиванию при повторном напряжении.
Во время зарядки и разрядки ионы лития перемещаются взад и вперед между анодом и катодом. Это движение вызывает изменения объема в электродах, что приводит к расширению и сокращению. В жидких электролитных системах эти изменения легко приспосабливаются. Однако в твердотельных батареях жесткая природа твердого электролита может привести к механическому напряжению на интерфейсах между электролитом и электродами.
Со временем этот стресс может привести к нескольким вопросам:
- Микротрезки в твердом электролите
- расслоение между электролитом и электродами
- Повышенное межфазное сопротивление
- Потеря активного материала контакта
Эти проблемы могут значительно повлиять на производительность батареи, уменьшая его емкость и выходную мощность. Исследователи активно работают над разработкой более гибких твердых электролитов и улучшении инженерии интерфейса для смягчения этих проблем, связанных с механическим напряжением.
Как образуются литий-дендриты в твердых системах
Другим критическим фактором, способствующим деградации твердотельных аккумуляторов во время езды на велосипеде, является образование дендритов лития. Дендриты-это игольчащими структурами, которые могут расти от анода к катоду во время зарядки. В традиционных литий-ионных батареях с жидкими электролитами образование дендритов является хорошо известной проблемой, которая может привести к коротким замыканиям и угрозам безопасности.
Первоначально считалось, чтотвердотельные батареибудет невосприимчивым к образованию дендритов из -за механической прочности твердого электролита. Тем не менее, недавние исследования показали, что дендриты все еще могут образовываться и расти в твердотельных системах, хотя и с помощью различных механизмов:
1. Проникновение границы зерна: дендриты лития могут расти вдоль границ зерен поликристаллических твердых электролитов, используя эти более слабые области.
2. Разложение электролита. Некоторые твердые электролиты могут реагировать с литием, образуя слой продуктов разложения, которые обеспечивают рост дендритов.
3. Локализованные горячие точки тока: неоднородности в твердом электролите могут привести к областям более высокой плотности тока, что способствует зарождению дендритов.
Рост дендритов в твердотельных батареях может привести к нескольким вредным эффектам:
- Повышенное внутреннее сопротивление
- емкость исчезает
- Потенциальные короткие цирки
- Механическая деградация твердого электролита
Чтобы решить эту проблему, исследователи изучают различные стратегии, в том числе разработку однокристаллических твердых электролитов, создание искусственных интерфейсов для подавления роста дендритов и оптимизации границы раздела электрод-электролита для содействия однородному осаждению лития.
Методы тестирования для прогнозирования жизненных ограничений цикла
Понимание механизмов деградации твердотельных батарей имеет решающее значение для повышения их производительности и долговечности. С этой целью исследователи разработали различные методы тестирования для прогнозирования жизненных ограничений цикла и определения потенциальных режимов отказа. Эти методы помогают в проектировании и оптимизациитвердотельные батареиДля практических применений.
Некоторые из ключевых методов тестирования включают в себя:
1. Электрохимическая спектроскопия импеданса (EIS): этот метод позволяет исследователям изучать внутреннее сопротивление батареи и ее изменения с течением времени. Анализируя спектры импеданса, можно определить такие проблемы, как деградация интерфейса и образование резистивных слоев.
2. Дифракция рентгеновских лучей на месте (XRD): этот метод позволяет наблюдать структурные изменения в материалах аккумулятора во время циклирования. Он может выявить фазовые переходы, изменения объема и образование новых соединений, которые могут способствовать деградации.
3. Сканирующая электронная микроскопия (SEM) и просвечивающая электронная микроскопия (TEM): эти методы визуализации обеспечивают представление о компонентах батареи с высоким разрешением, что позволяет исследователям наблюдать за микроструктурными изменениями, межфазной деградацией и формированием дендритов.
4. Ускоренные испытания на старение: подвергая батареи повышенным температурам или более высокой скорости циклирования, исследователи могут имитировать долгосрочное использование в более короткие времена. Это помогает в прогнозировании производительности батареи в течение ожидаемого срока службы.
5. Анализ дифференциальной мощности: этот метод включает анализ производной способности в отношении напряжения во время циклов заряда и разгрузки. Это может выявить тонкие изменения в поведении батареи и определить конкретные механизмы деградации.
Объединив эти методы тестирования с расширенным вычислительным моделированием, исследователи могут получить полное понимание факторов, ограничивающих срок службы велосипедных батарей. Эти знания имеют решающее значение для разработки стратегий для снижения деградации и повышения общей производительности батареи.
В заключение, в то время как твердотельные батареи предлагают значительные преимущества по сравнению с традиционными литий-ионными батареями, они сталкиваются с уникальными проблемами, когда речь идет о деградации велосипедов. Механическое напряжение во время циклов заряда и разгрузки в сочетании с потенциалом для образования дендритов может привести к снижению производительности с течением времени. Тем не менее, текущие исследования и передовые методы тестирования прокладывают путь к улучшению технологии твердотельной батареи.
Поскольку мы продолжаем усовершенствовать наше понимание этих механизмов деградации, мы можем ожидать, что достижения достижений в сплоченной конструкции батареи, которые решают эти проблемы. Этот прогресс будет иметь решающее значение для реализации полного потенциала твердотельных батарей для применений от электромобилей до хранения энергии в масштабе сетки.
Если вы заинтересованы в изучении передовыхсплошная батареяТехнология для ваших приложений, рассмотрите возможность обращения к Ebattery. Наша команда экспертов находится в авангарде инноваций батареи и может помочь вам найти правильное решение для хранения энергии для ваших нужд. Свяжитесь с нами по адресуcathy@zyepower.comЧтобы узнать больше о наших передовых предложениях с твердыми аккумуляторами и о том, как они могут принести пользу вашим проектам.
Ссылки
1. Смит, Дж. И соавт. (2022). «Механизмы механического напряжения и деградации в твердотельных батареях». Журнал хранения энергии, 45, 103-115.
2. Джонсон, А. и Ли, С. (2023). «Формирование дендритов в твердых электролитах: проблемы и стратегии смягчения». Nature Energy, 8 (3), 267-280.
3. Zhang, L. et al. (2021). «Совещающаяся методы характеристики для твердотельных материалов аккумулятора». Усовершенствованные материалы, 33 (25), 2100857.
4. Браун М. и Тейлор Р. (2022). «Прогнозируемое моделирование сплошной батареи». ACS Applied Energy Materials, 5 (8), 9012-9025.
5. Chen, Y. et al. (2023). «Инжинирирование интерфейса для повышенной стабильности велосипедов в твердотельных батареях». Энергетическая и экологическая наука, 16 (4), 1532-1549.
