固态锂金属电池Solid-state batteries具有更高能量密度、更长寿命、更宽工作温度,以及更高安全潜力。尽管大部分研究集中于改善材料和界面的传输动力学和电化学稳定性,但也存在需要研究材料力学mechanics of materials的关键挑战。在具有固固界面的电池中,机械接触mechanical contacts,以及在固态电池的操作期间应力的发展,已经与电化学稳定性一样关键,用以保持在这些界面处的稳定电荷转移。
图1.固态锂金属电池solidstate batteries,SSB的示意图和相应的力学(黑色背景)和传输(白色背景)现象。
图2.锂金属的长度尺度和速率相关力学。
图3.在非晶材料中,致密化和剪切流动触发塑性,以避免断裂,以及在晶体陶瓷中的位错增韧。
图4. 在锂磷氧氮Lipon固体电解质中,变形回复,产生了纳米压痕时的类滞后行为循环加载。
图5.复合固态阴极的疲劳损伤。
图6.在固体电解质中,锂输运的示意图。
目前必须解决几个关键挑战,包括:
(I)在固体电解质表面上,不均匀锂电镀和固体电解质内的锂金属沉积;
(II)电池内界面接触的损失,这是由于与在电极接触处,以及在晶粒边界处,发生的电化学循环相关的体积变化;
(III)用非常薄的固体电解质和最少的非活性组分(包括粘合剂和结构载体)形成固态锂金属电池solidstate batteries,SSB的制造方法。