Sergiy Kalnaus, dkk. Baterai solid-state: Peran penting mekanika. Sains. 381, 1300 (2023).
Baterai solid-state dengan anoda logam litium memiliki potensi kepadatan energi yang lebih tinggi, masa pakai yang lebih lama, suhu pengoperasian yang lebih luas, dan peningkatan keselamatan. Meskipun sebagian besar penelitian berfokus pada peningkatan kinetika transpor dan stabilitas elektrokimia material dan antarmuka, terdapat juga tantangan kritis yang memerlukan penyelidikan mekanika material. Dalam baterai dengan antarmuka padat-padat, kontak mekanis, dan perkembangan tekanan selama pengoperasian baterai solid-state, menjadi sama pentingnya dengan stabilitas elektrokimia untuk menjaga transfer muatan tetap pada antarmuka ini. Tinjauan ini akan fokus pada stres dan ketegangan yang diakibatkan oleh siklus baterai yang normal dan berkepanjangan serta mekanisme terkait untuk menghilangkan stres, yang beberapa di antaranya menyebabkan kegagalan baterai ini.
LATAR BELAKANG
Baterai solid-state (SSB) memiliki potensi keunggulan yang penting dibandingkan baterai Li-ion tradisional yang digunakan pada telepon sehari-hari dan kendaraan listrik. Di antara potensi keuntungan ini adalah kepadatan energi yang lebih tinggi dan pengisian daya yang lebih cepat. Pemisah elektrolit padat juga dapat memberikan masa pakai yang lebih lama, suhu pengoperasian yang lebih luas, dan peningkatan keamanan karena tidak adanya pelarut organik yang mudah terbakar. Salah satu aspek penting dari SSB adalah respons tegangan struktur mikronya terhadap perubahan dimensi (regangan) yang didorong oleh transportasi massal. Regangan komposisi pada partikel katoda juga terjadi pada baterai elektrolit cair, tetapi pada SSB, regangan ini menyebabkan masalah mekanika kontak antara partikel elektroda yang mengembang atau menyusut dan elektrolit padat. Di sisi anoda, pelapisan logam litium menciptakan keadaan tegangan kompleksnya sendiri pada antarmuka dengan elektrolit padat. Fitur penting dari SSB adalah bahwa pelapisan tersebut dapat terjadi tidak hanya pada antarmuka elektroda-elektrolit tetapi juga di dalam elektrolit padat itu sendiri, di dalam pori-porinya atau di sepanjang batas butir. Deposisi litium yang terbatas seperti itu menciptakan area dengan tekanan hidrostatik tinggi yang mampu memicu keretakan pada elektrolit. Meskipun sebagian besar kegagalan pada SSB disebabkan oleh faktor mekanik, sebagian besar penelitian telah didedikasikan untuk meningkatkan transpor ion dan stabilitas elektrokimia elektrolit. Sebagai upaya untuk menjembatani kesenjangan ini, dalam tinjauan ini kami menyajikan kerangka kerja mekanik untuk SSB dan mengkaji penelitian terkemuka di lapangan, dengan fokus pada mekanisme yang menghasilkan, mencegah, dan menghilangkan stres.
RAYUAN
Dorongan menuju sumber daya terbarukan memerlukan pengembangan baterai generasi berikutnya dengan kepadatan energi lebih dari dua kali lipat baterai saat ini dan dapat mengisi daya dalam waktu 5 menit atau kurang. Hal ini menyebabkan perlombaan untuk mengembangkan elektrolit yang dapat memfasilitasi pengisian cepat 5-menit dan mengaktifkan anoda logam Li—kunci menuju energi tinggi. Penemuan elektrolit padat yang memiliki stabilitas elektrokimia tinggi dengan logam Li dan elektrolit padat sulfida dengan konduktivitas ionik lebih besar daripada elektrolit cair mana pun telah mendorong pergeseran komunitas riset ke arah SSB. Meskipun penemuan-penemuan ini menjanjikan bahwa SSB dapat mewujudkan visi pengisian cepat dan penggandaan kepadatan energi, realisasi janji ini hanya dapat dilakukan jika perilaku mekanis bahan baterai dipahami secara menyeluruh dan mekanika multiskala diintegrasikan dalam pengembangan SSB. .
PANDANGAN
Beberapa tantangan utama yang harus diatasi, termasuk (i) pelapisan litium yang tidak seragam pada permukaan elektrolit padat dan pengendapan logam litium di dalam elektrolit padat; (ii) hilangnya kontak antar muka di dalam sel sebagai akibat dari perubahan volume yang terkait dengan siklus elektrokimia yang terjadi pada kontak elektroda dan juga pada batas butir; dan (iii) proses manufaktur untuk membentuk SSB dengan elektrolit padat yang sangat tipis dan komponen tidak aktif yang minimal, termasuk bahan pengikat dan pendukung struktural. Mekanika adalah persamaan umum yang menghubungkan masalah-masalah ini. Pengendapan logam litium ke dalam cacat permukaan dan volume elektrolit padat keramik menghasilkan tekanan lokal yang tinggi yang dapat menyebabkan keretakan elektrolit dengan perambatan lebih lanjut litium logam ke dalam retakan. Di bidang manufaktur, sebagai persyaratan minimum, tumpukan katoda-elektrolit harus memiliki kekuatan yang cukup untuk menahan gaya yang diberikan oleh peralatan. Pemahaman yang lebih baik tentang mekanisme bahan SSB akan ditransfer ke pengembangan elektrolit padat, katoda, anoda, dan arsitektur sel, serta paket baterai yang dirancang untuk mengelola tekanan produksi dan pengoperasian baterai.
Gambar 1 Diagram skema baterai solid-state logam lithium, mekanika dan fenomena transportasi.
Gambar 2 Skala panjang dan mekanisme logam litium yang bergantung pada laju.
Gambar 3 Plastisitas dipicu oleh densifikasi dan aliran geser pada material amorf dan diperkuat dengan adanya dislokasi pada keramik kristal, sehingga menghindari patah.
Gambar 4 Pemulihan deformasi di LiPON, menghasilkan perilaku seperti histeresis selama pemuatan siklik nanoindentasi.
Gambar 5 Kerusakan akibat kelelahan katoda padat komposit.
Gambar 6 Diagram skema perambatan litium melalui elektrolit padat.
