Science：固态电池未决，研究材料力学！

曹原 发自 副驾寺

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以往对于固态电池的研究，很可能太片面了。

发表在最新一期Science上的一篇综述，提出了这个观点。

因为想要实现高性能、高循环寿命的固态电池，现在的大多数研究都致力于提升固态电池的电化学性质。

实际上，固态电池的力学结构也需要考虑在内。

为什么要研究力学结构？要怎么了解不同材料下固态电池的力学结构？

因为力学结构导致固态电池失效，又有什么对应的解决办法？

来自美国橡树岭国家实验室和密歇根理工大学的五位作者，详细解答了这些问题。

固态电池中力学的关键作用

既然需要关注固态电池的力学结构，那么如何评估和设计呢？

论文提供了一个理解和设计力学结构可靠的固态电池的框架。

该框架包括三个方面：

1、识别和理解该固态电池中局部应变的来源；
2、了解这种应力，特别是在电池界面处，以及电池材料对这些应力的响应；
3、设计具有所需应力和应变演变的电池材料和电池单元。

其中，应力是材料受到的外力大小，应变是指材料在受到外力时的形变程度。

以固态电解质为例，众所周知，固态锂电池比液态锂电池更安全的关键因素是，固态电池中的固态电解质可以有效抑制锂枝晶的生长。

而不同的固态电解质材料对锂枝晶抑制效果也存在不同，评估抑制效果好坏的一个标准就是该材料的应力和应变。

如果这种固态电解质即使受到很大的应力，也不易发生弹性形变，比如氧化物电解质，这意味着这种固态电解质材料能有效抑制锂枝晶生长；但同时，氧化物电解质的硬度和刚度很高，更有可能发生断裂等情况，影响固态电池的性能。

所以，在选择固态电解质时选择各项性能更平衡的材料，更有利于提高固态电池的性能和使用寿命。

这也是为什么需要研究固态锂电池的力学结构。

固态锂电池的充放电过程伴随着阴阳极体积的变化，比如阴极中的晶格拉伸和扭曲以及阳极中的金属锂沉积。

而液态锂电池得益于液态电解质，阴阳极体积变化不会影响电池内部的受力结构，但因为固态锂电池中固态含量较高，阴阳极体积的改变可能会影响固态锂电池的稳定性。

假如阳极某一处锂沉积过多，会导致该处的应力增大。

假如应力超过了固态电解质承受的极限，材料形变过大（也就是应变程度），会有材料断裂、粉化等风险。

所以，材料的力学性质的变化会影响材料的电化学性质，进而导致电池性能恶化甚至失效。

除了固态电解质，电极的组成成分（活性物质、粘结剂、导电剂等），所使用的材料也会影响到电池的力学结构，这篇论文提供的框架可以用来研究这些材料的力学特性。

作者希望通过这篇论文能更方便研究人员理解固态电池发生故障的潜在原因，同时论文也给出了这些问题的解决方案。包括：

1. 根据长度尺度、温度和应变速率（电流密度）来研究锂金属的应力缓解机制；
2. 根据长度尺度、温度和应变速率来研究陶瓷、玻璃和非晶陶瓷的应力缓解机制；
3. 讨论陶瓷、玻璃电解质的工程延展性；
4. 设计一种锂金属阳极，既能消除锂金属的不均匀沉积和剥离，也能缓解锂-电解质界面的应力；
5. 设计一种阴极活性材料，具有零循环应变、抗断裂的特点，或者具有一定的延展性；
6. 设计一种复合阴极，实现应变最小化、应力释放最大化；
7. 进行详细建模，以描述固态电池中应力和应变的演变，包括长度尺度效应（length-scale effects）、摩擦（friction）、粘附（adhesion）和蠕变（creep）。

那么，又是谁完成了这篇论文？

论文作者简介

论文一作为Sergiy Kalnaus，来自美国橡树岭国家实验室，是计算科学与工程部的高级研究员。

Sergiy Kalnaus拥有内华达大学机械工程博士学位，曾获得美国能源部颁发的科学技术杰出贡献奖。另外还拥有四项专利，其中三项关于电解质，一项关于电极浆料，发表过34篇论文，被引次数为3195次。

论文作者还包括Nancy J. Dudney，同样来自橡树岭国家实验室，是化学科学部院士及小组组长。

Nancy J. Dudney本科就读于威廉玛丽学院化学专业，毕业后直接升入麻省理工学院陶瓷工程学院，并完成博士学位。曾获得美国能源部颁发的杰出发明家称号，获得大大小小超13个奖项，拥有超过14项专利，目前正在研究混合动力汽车电池的新型材料。

论文作者还有同样来自化学科学部的Andrew S. Westover，是该部门的材料科学家。

Andrew S. Westover已经在《ACS能源快报》、《材料化学》等多个期刊上发表超25篇论文，其中还包括电化学三大顶刊之一电化学学会杂志JES，被引次数达到3292次。目标是实现下一代能源存储，包括固态锂电池。

论文的作者还有Erik Herbert，来自橡树岭国家实验室材料科学与技术部。

Erik Herbert同时还是密歇根理工大学，材料科学与工程专业的兼职教授，在田纳西大学取得材料科学与工程的博士学位。一共发表14篇论文，被引次数达到4288次。

论文的最后一位作者是Steve Hackney，是密歇根理工大学的材料科学与工程专业的全职教授。

Steve Hackney本科就读于詹姆斯麦迪逊大学化学专业，硕士和博士均就读于弗吉尼亚大学材料科学专业，研究方向包括锂离子电池、陶瓷电池材料、电池薄膜和纳米结构等。

本文从固态电池领域的领先研究出发，系统地提出了固态电池的力学结构框架，重点关注应力的产生、预防和缓解机制，提出了多个解决方案。

当下大多数固态电池研究都致力于改善电解质的离子传输速率和电化学稳定性，这篇论文则弥补了这一差距，也有利于开发能量密度更高、性能更优、更安全稳定的固态电池。

参考链接

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg5998

[2]https://wulixb.iphy.ac.cn/article/id/79257274-6b4a-4976-887f-c28178f88d30