Теперь, впервые, команда в MIT исследовала механические свойства основанного на сульфиде твердого материала электролита, чтобы определить его механическую работу, когда включено в батареи.Новые результаты были изданы на этой неделе в журнале Advanced Energy Materials, в статье Франка Макгрогэна и Тушера Свами, обоих аспирантов MIT; Кристин Ван Влит, Майкл (1949) и профессор Сони Коернер Материаловедения и Разработки; все-же-Ming Чанг, преподаватель материаловедения и разработки; и четыре других включая студенческого участника Опыта Исследования Национального научного фонда для Студента (REU) программа, которой управляет Центр MIT Материаловедения и Разработки и ее Центр Обработки материалов.Литий-ионные аккумуляторы предоставили легкое решение аккумулирования энергии, которое позволило многие сегодняшние высокотехнологичные устройства от смартфонов до электромобилей.
Но у замены обычным жидким электролитом с твердым электролитом в таких батареях могли быть значительные преимущества. Такие все-твердотельные литий-ионные аккумуляторы могли обеспечить еще большую способность к аккумулированию энергии, фунт для фунта, на уровне батарейного блока. Они могут также фактически устранить риск крошечных, подобных пальцу металлических прогнозов, названных дендритами, которые могут вырасти через слой электролита и привести к коротким замыканиям.
«Батареи с компонентами, которые являются всем телом, являются привлекательными возможностями для работы и безопасности, но несколько проблем остаются», говорит Ван Влит. В литий-ионных аккумуляторах, которые доминируют над рынком сегодня, литиевые ионы проходят через жидкий электролит, чтобы добраться от одного электрода до другого, в то время как батарея заряжается, и затем теките через в противоположном направлении, поскольку это используется. Эти батареи очень эффективны, но «жидкие электролиты имеют тенденцию быть химически нестабильными, и могут даже быть огнеопасными», говорит она. «Таким образом, если бы электролит был тверд, это могло бы быть более безопасным, а также меньшим и легче».Но большой вопрос относительно использования таких все-твердых батарей – то, какие виды механических усилий могли бы произойти в материале электролита, поскольку электроды заряжают и неоднократно освобождаются от обязательств.
Эта езда на велосипеде заставляет электроды раздуваться и сокращаться, когда литиевые ионы проходят в и из их кристаллической структуры. В жестком электролите те размерные изменения могут привести к высоким усилиям. Если электролит также хрупкий, который постоянное изменение размеров может привести к трещинам, которые быстро ухудшают работу батареи и могли даже обеспечить каналы для разрушительных дендритов, чтобы сформироваться, как они делают в батареях жидкого электролита. Но если материал стойкий к перелому, те усилия могли бы быть приспособлены без быстрого взламывания.
До сих пор, тем не менее, чрезвычайная чувствительность сульфида к нормальному воздуху лаборатории поставила проблему к измерению механических свойств включая его крутизну перелома. Чтобы обойти эту проблему, члены исследовательской группы провели механическое тестирование в ванне минерального масла, защитив образец от любых химических взаимодействий с воздухом или влажностью.
Используя ту технику, они смогли получить подробные измерения механических свойств проводящего литий сульфида, который считают многообещающим кандидатом на электролиты во все-твердотельных батареях.«Есть много различных кандидатов на твердые электролиты там», говорит Макгрогэн. Другие группы изучили механические свойства литий-ионных окисей проведения, но было мало работы до сих пор над сульфидами, даже при том, что те особенно многообещающие из-за их способности провести литиевые ионы легко и быстро.
Предыдущие исследователи использовали акустические техники измерений, передавая звуковые волны через материал, чтобы исследовать его механическое поведение, но тот метод не определяет количество сопротивления перелому. Но новое исследование, которое использовало исследование с прекрасным наконечником, чтобы ткнуть в материал и контролировать его ответы, дает более полную картину важных свойств, включая твердость, крутизну перелома и модуль Янга (мера возможности материала простираться обратимо под прикладным напряжением).«Исследовательские группы измерили упругие свойства основанных на сульфиде твердых электролитов, но не свойства перелома», говорит Ван Влит. Последние крайне важны для предсказания, мог ли бы материал расколоться или разрушиться, когда используется в применении батареи.
Исследователи нашли, что у материала есть комбинация свойств, несколько подобных глупой замазке или соленой водной ириске: Когда подвергнуто напряжению, это может исказить легко, но в достаточно высоком напряжении это может расколоться как хрупкий кусок стекла.Зная те свойства подробно, «Вы можете вычислить, сколько может терпеть напряжение материал, прежде чем это сломается», и системы клеточного содержания дизайна с той информацией в памяти, говорит Ван Влит.
Материал оказывается более хрупким, чем было бы идеально для использования батареи, но, пока его свойства известны, и системы разработаны соответственно, у этого мог все еще быть потенциал для такого использования, говорит Макгрогэн. «Вы должны проектировать вокруг того знания».