충전/방전주기 동안의 기계적 응력 계수
사이클링 중에 고체 배터리가 저하 된 주요 이유 중 하나는 배터리 구성 요소가 경험하는 기계적 응력 때문입니다. 기존 배터리에 사용되는 액체 전해질과 달리 고체 전해질은솔리드 스테이트 배터리덜 유연하고 반복적 인 스트레스 하에서 균열이 발생하기 쉽습니다.
충전 및 배출 동안 리튬 이온은 양극과 음극 사이에서 앞뒤로 움직입니다. 이 움직임은 전극의 부피 변화를 일으켜 팽창과 수축을 초래합니다. 액체 전해질 시스템에서 이러한 변화는 쉽게 수용됩니다. 그러나, 고체 배터리에서, 고체 전해질의 강성 특성은 전해질과 전극 사이의 계면에서 기계적 응력을 초래할 수있다.
시간이 지남에 따라이 스트레스는 몇 가지 문제로 이어질 수 있습니다.
- 고체 전해질의 미세 균열
- 전해질과 전극 사이의 박리
- 계면 저항 증가
- 활성 재료 접촉 상실
이러한 문제는 배터리의 성능에 크게 영향을 미쳐 용량과 전력 출력을 줄일 수 있습니다. 연구원들은보다 유연한 고체 전해질을 개발하고 이러한 기계적 응력 관련 문제를 완화하기 위해 인터페이스 엔지니어링을 개선하기 위해 적극적으로 노력하고 있습니다.
솔리드 스테이트 시스템에서 리튬 수상 돌기가 형성되는 방법
사이클링 동안 고체 배터리의 분해에 기여하는 또 다른 중요한 요소는 리튬 수상 돌기의 형성입니다. 수상 돌기는 충전 중에 양극에서 음극으로 자랄 수있는 바늘 모양의 구조입니다. 액체 전해질이있는 전통적인 리튬 이온 배터리에서 덴드리트 형성은 단락과 안전 위험을 초래할 수있는 잘 알려진 문제입니다.
처음에는 그렇게 생각되었습니다솔리드 스테이트 배터리고체 전해질의 기계적 강도로 인해 수상 돌기 형성에 면역이 될 것이다. 그러나 최근의 연구에 따르면 수상 돌기는 다른 메커니즘을 통해서도 고형 상태 시스템에서 여전히 형성되고 성장할 수 있습니다.
1. 입자 경계 침투 : 리튬 수상 돌기는 다결정 고체 전해질의 입자 경계를 따라 자랄 수 있으며, 이러한 약한 영역을 이용할 수 있습니다.
2. 전해질 분해 : 일부 고체 전해질은 리튬과 반응하여 수상 돌기 성장을 허용하는 분해 생성물 층을 형성 할 수 있습니다.
3. 국소화 된 전류 핫스팟 : 고체 전해질의 불균일성은 전류 밀도의 영역을 유발하여 수상 돌기 핵 생성을 촉진 할 수 있습니다.
고형 상태 배터리에서 수상 돌기의 성장은 몇 가지 해로운 영향을 줄 수 있습니다.
- 내부 저항 증가
- 용량 페이드
- 잠재적 단락
- 고체 전해질의 기계적 분해
이 문제를 해결하기 위해 연구원들은 단일 결정 고체 전해질 개발, 수상 돌기 성장을 억제하기위한 인공 인터페이스를 만들고 균일 한 리튬 증착을 촉진하기 위해 전극 전해질 계면을 최적화하는 등 다양한 전략을 탐색하고 있습니다.
주기 수명 제한을 예측하는 테스트 방법
솔리드 스테이트 배터리의 저하 메커니즘을 이해하는 것은 성능과 수명을 향상시키는 데 중요합니다. 이를 위해 연구원들은 사이클 수명 제한을 예측하고 잠재적 인 고장 모드를 식별하기위한 다양한 테스트 방법을 개발했습니다. 이 방법은 설계 및 최적화에 도움이됩니다솔리드 스테이트 배터리실제 응용 프로그램.
주요 테스트 방법 중 일부는 다음과 같습니다.
1. 전기 화학 임피던스 분광법 (EIS) :이 기술을 통해 연구원들은 배터리의 내부 저항과 시간이 지남에 따라 변화를 연구 할 수 있습니다. 임피던스 스펙트럼을 분석함으로써 인터페이스 저하 및 저항 층의 형성과 같은 문제를 식별 할 수 있습니다.
2. 현장 X- 선 회절 (XRD) :이 방법은 사이클링 중에 배터리 재료의 구조적 변화를 관찰 할 수 있습니다. 위상 전이, 부피 변화 및 분해에 기여할 수있는 새로운 화합물의 형성을 나타낼 수 있습니다.
3. 스캐닝 전자 현미경 (SEM) 및 투과 전자 현미경 (TEM) : 이러한 이미징 기술은 배터리 성분의 고해상도 뷰를 제공하여 연구자들이 미세 구조 변화, 계면 분해 및 수상 돌기 형성을 관찰 할 수있게합니다.
4. 가속화 된 노화 테스트 : 배터리를 온도 이상 또는 더 높은 사이클링 속도에 적용함으로써 연구원들은 짧은 시간 내에 장기 사용을 시뮬레이션 할 수 있습니다. 이는 예상 수명 동안 배터리의 성능을 예측하는 데 도움이됩니다.
5. 차등 용량 분석 :이 기술은 전하 및 방전 사이클 동안 전압에 대한 용량의 미분을 분석하는 것을 포함합니다. 배터리의 거동에 미묘한 변화를 나타내고 특정 분해 메커니즘을 식별 할 수 있습니다.
이러한 테스트 방법을 고급 컴퓨팅 모델링과 결합함으로써 연구원들은 솔리드 스테이트 배터리의주기 수명을 제한하는 요인에 대한 포괄적 인 이해를 얻을 수 있습니다. 이 지식은 저하를 완화하고 전반적인 배터리 성능을 향상시키기위한 전략을 개발하는 데 중요합니다.
결론적으로, 솔리드 스테이트 배터리는 전통적인 리튬 이온 배터리에 비해 상당한 이점을 제공하지만 사이클링 분해와 관련하여 고유 한 문제에 직면합니다. 전하 및 배출주기 동안의 기계적 응력과 수상 돌기 형성의 가능성과 함께 시간이 지남에 따라 성능 감소를 초래할 수 있습니다. 그러나 지속적인 연구 및 고급 테스트 방법은 솔리드 스테이트 배터리 기술의 개선을위한 길을 열어주고 있습니다.
이러한 저하 메커니즘에 대한 이해를 계속 개선함에 따라 이러한 문제를 해결하는 솔리드 스테이트 배터리 설계의 발전을 기대할 수 있습니다. 이러한 진행 상황은 전기 자동차에서 그리드 규모 에너지 저장에 이르기까지 다양한 응용 분야의 고형 상태 배터리 잠재력을 실현하는 데 중요합니다.
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참조
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