По мере прохождения тока через батарею ее материалы со временем разрушаются. Механические воздействия, такие как напряжение и деформация, влияют на эту траекторию, хотя их влияние на эффективность и долговечность батареи до конца не изучено.

Команда, возглавляемая исследователями из Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики, разработала основу для проектирования твердотельных аккумуляторов, или SSB, с учетом механики. В их статье, опубликованной в журнале Science, рассматривалось, как эти факторы изменяют SSB во время их циклирования.

«Наша цель — подчеркнуть важность механики в работе батареи», — сказал Сергей Калнаус, научный сотрудник группы мультифизического моделирования и потоков ORNL. «Многие исследования были сосредоточены на химических или электрических свойствах, но не учитывали лежащую в их основе механику».

Команда работает в нескольких областях исследований ORNL, включая вычислительную технику, химию и материаловедение. В совокупности их обзор нарисовал более целостную картину условий, влияющих на SSBS, используя точки зрения со всего научного спектра. «Мы пытаемся преодолеть разрыв между дисциплинами», — сказал Калнаус.

В батареях заряженные частицы проходят через материалы, известные как электролиты. Большинство из них представляют собой жидкости, как в литий-ионных батареях, используемых в электромобилях, но разрабатываются и твердые электролиты. Эти проводники обычно изготавливаются из стекла или керамики и могут обладать такими преимуществами, как повышенная безопасность и прочность.

«Настоящие твердотельные аккумуляторы не содержат внутри легковоспламеняющихся жидкостей», — сказал Калнаус. «Это означает, что они были бы менее опасны, чем батареи, обычно используемые сегодня».

Однако твердые электролиты все еще находятся на ранних стадиях разработки из-за проблем, связанных с этими новыми материалами. Компоненты SSB разбухают и сжимаются во время загрузки и транспортировки массы, что изменяет систему.

«Электроды постоянно деформируются во время работы аккумулятора, создавая расслоение и пустоты на границах раздела с твердым электролитом», — сказал Калнаус. «В современных системах лучшим решением является применение большого давления, чтобы сохранить все вместе».

Эти изменения размеров повреждают твердые электролиты, которые изготовлены из хрупких материалов. Они часто ломаются в ответ на напряжение и давление. Придание этим материалам большей пластичности позволило бы им выдерживать нагрузку за счет текучести, а не растрескивания. Такого поведения можно достичь с помощью некоторых методов, которые вводят небольшие кристаллические дефекты в керамические электролиты.

Электроны покидают систему через аноды. В SSB этот компонент может быть изготовлен из чистого лития, который является наиболее энергоемким металлом. Хотя этот материал обеспечивает преимущества для питания батареи, он также создает давление, которое может повредить электролиты.

«Во время зарядки неоднородное покрытие и отсутствие механизмов снятия напряжений могут создавать концентрацию напряжений. Они могут выдерживать большое давление, обеспечивая поток металлического лития», — сказал Эрик Херберт, руководитель группы механических свойств и механики ORNL.

«Чтобы оптимизировать производительность и долговечность SSB, нам необходимо разработать следующее поколение анодов и твердых электролитов, которые могут поддерживать механически стабильные границы раздела без разрушения сепаратора твердого электролита».

Работа команды является частью долгой истории ORNL по исследованию материалов для SSBS. В начале 1990-х годов в лаборатории был разработан стеклообразный электролит, известный как оксинитрид фосфора лития, или ЛиПОН. Липон стал широко использоваться в качестве электролита в тонкопленочных батареях с металлическим литиевым анодом. Этот компонент может выдерживать множество циклов зарядки-разрядки без сбоев, во многом благодаря пластичности LiPON. При воздействии механических факторов она течет, а не растрескивается.

«В последние годы мы узнали, что ЛиПОН обладает надежными механическими свойствами в дополнение к его химической и электрохимической стойкости», — сказала Нэнси Дадни, ученый ORNL, возглавлявшая команду, разработавшую материал.

Усилия команды высвечивают недостаточно изученный аспект SSB — понимание факторов, определяющих их срок службы и эффективность. «Исследовательскому сообществу нужна была дорожная карта», — сказал Калнаус. «В нашей статье мы изложили механику материалов для твердотельных электролитов, призывая ученых учитывать это при разработке новых батарей».