Batteries à semi-conducteurs : le rôle essentiel de la mécanique

Sergiy Kalnaus, et al. Batteries à semi-conducteurs : le rôle crucial de la mécanique. Science. 381, 1300 (2023).

Les batteries à semi-conducteurs dotées d'anodes au lithium métal ont le potentiel d'une densité énergétique plus élevée, d'une durée de vie plus longue, d'une température de fonctionnement plus large et d'une sécurité accrue. Bien que la majeure partie de la recherche se soit concentrée sur l’amélioration de la cinétique de transport et de la stabilité électrochimique des matériaux et des interfaces, il existe également des défis critiques qui nécessitent une étude de la mécanique des matériaux. Dans les batteries comportant des interfaces solide-solide, les contacts mécaniques et le développement de contraintes pendant le fonctionnement des batteries à semi-conducteurs deviennent aussi critiques que la stabilité électrochimique pour maintenir un transfert de charge constant à ces interfaces. Cette revue se concentrera sur le stress et la tension résultant du cycle normal et prolongé des batteries et sur les mécanismes associés de soulagement du stress, dont certains conduisent à la défaillance de ces batteries.

ARRIÈRE-PLAN

Les batteries à semi-conducteurs (SSB) présentent des avantages potentiels importants par rapport aux batteries Li-ion traditionnelles utilisées dans les téléphones et les véhicules électriques de tous les jours. Parmi ces avantages potentiels figurent une densité énergétique plus élevée et une charge plus rapide. Un séparateur à électrolyte solide peut également offrir une durée de vie plus longue, une température de fonctionnement plus large et une sécurité accrue en raison de l'absence de solvants organiques inflammables. L’un des aspects critiques des SSB est la réponse aux contraintes de leur microstructure aux changements dimensionnels (déformations) provoqués par le transport de masse. Les déformations de composition des particules cathodiques se produisent également dans les batteries à électrolyte liquide, mais dans les SSB, ces déformations entraînent des problèmes de mécanique de contact entre les particules d'électrode en expansion ou en contraction et l'électrolyte solide. Du côté de l'anode, le placage du lithium métallique crée son propre état de contrainte complexe à l’interface avec l’électrolyte solide. Une caractéristique essentielle des SSB est qu’un tel placage peut se produire non seulement à l’interface électrode-électrolyte, mais également au sein de l’électrolyte solide lui-même, à l’intérieur de ses pores ou le long des joints de grains. Un tel dépôt confiné de lithium crée des zones soumises à des contraintes hydrostatiques élevées, capables d'initier des fractures dans l'électrolyte. Bien que la majorité des défaillances des SSB soient dues à la mécanique, la plupart des recherches ont été consacrées à l’amélioration du transport des ions et de la stabilité électrochimique des électrolytes. Pour tenter de combler cette lacune, nous présentons dans cette revue un cadre mécanique pour les boissons sucrées et examinons les principales recherches dans le domaine, en nous concentrant sur les mécanismes par lesquels le stress est généré, évité et soulagé. Une caractéristique essentielle des SSB est qu’un tel placage peut se produire non seulement à l’interface électrode-électrolyte, mais également au sein de l’électrolyte solide lui-même, à l’intérieur de ses pores ou le long des joints de grains. Un tel dépôt confiné de lithium crée des zones soumises à des contraintes hydrostatiques élevées, capables d'initier des fractures dans l'électrolyte. Bien que la majorité des défaillances des SSB soient dues à la mécanique, la plupart des recherches ont été consacrées à l’amélioration du transport des ions et de la stabilité électrochimique des électrolytes. Pour tenter de combler cette lacune, nous présentons dans cette revue un cadre mécanique pour les boissons sucrées et examinons les principales recherches dans le domaine, en nous concentrant sur les mécanismes par lesquels le stress est généré, évité et soulagé. Une caractéristique essentielle des SSB est qu’un tel placage peut se produire non seulement à l’interface électrode-électrolyte, mais également au sein de l’électrolyte solide lui-même, à l’intérieur de ses pores ou le long des joints de grains. Un tel dépôt confiné de lithium crée des zones soumises à des contraintes hydrostatiques élevées, capables d'initier des fractures dans l'électrolyte. Bien que la majorité des défaillances des SSB soient dues à la mécanique, la plupart des recherches ont été consacrées à l’amélioration du transport des ions et de la stabilité électrochimique des électrolytes. Pour tenter de combler cette lacune, nous présentons dans cette revue un cadre mécanique pour les boissons sucrées et examinons les principales recherches dans le domaine, en nous concentrant sur les mécanismes par lesquels le stress est généré, évité et soulagé. à l'intérieur de ses pores ou le long des joints de grains. Un tel dépôt confiné de lithium crée des zones soumises à des contraintes hydrostatiques élevées, capables d'initier des fractures dans l'électrolyte. Bien que la majorité des défaillances des SSB soient dues à la mécanique, la plupart des recherches ont été consacrées à l’amélioration du transport des ions et de la stabilité électrochimique des électrolytes. 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Pour tenter de combler cette lacune, nous présentons dans cette revue un cadre mécanique pour les boissons sucrées et examinons les principales recherches dans le domaine, en nous concentrant sur les mécanismes par lesquels le stress est généré, évité et soulagé.

AVANCES

La poussée vers les ressources renouvelables nécessite le développement de batteries de nouvelle génération avec des densités énergétiques plus du double de celles des batteries actuelles et pouvant se recharger en 5 minutes ou moins. Cela a conduit à une course au développement d'électrolytes capables à la fois de faciliter une charge rapide en 5 minutes et de permettre la fabrication d'anodes métalliques au Li, la clé de la haute énergie. La découverte d'électrolytes solides qui ont une stabilité électrochimique élevée avec des électrolytes solides en métal Li et en sulfure avec des conductivités ioniques supérieures à celles de n'importe quel électrolyte liquide ont stimulé une évolution de la communauté des chercheurs vers les SSB. Bien que ces découvertes laissent entrevoir la promesse que les SSB peuvent permettre une recharge rapide et un doublement de la densité énergétique,

PERSPECTIVES

Plusieurs défis clés doivent être relevés, notamment (i) le placage de lithium non uniforme sur une surface d'électrolyte solide et le dépôt de lithium métallique dans l'électrolyte solide ; (ii) perte de contact interfacial au sein de la cellule en raison des changements de volume associés au cycle électrochimique qui se produit au niveau des contacts des électrodes ainsi qu'aux limites des grains ; et (iii) des procédés de fabrication pour former des SSB avec un électrolyte solide très fin et un minimum de composants inactifs, y compris des liants et des supports structurels. La mécanique est un dénominateur commun reliant ces problèmes. Le dépôt de lithium métallique dans les défauts de surface et de volume d'un électrolyte solide céramique entraîne des contraintes locales élevées qui peuvent conduire à une fracture de l'électrolyte avec une propagation ultérieure du lithium métallique dans les fissures. Dans l'industrie manufacturière, au minimum, les piles cathode-électrolyte doivent posséder une résistance suffisante pour résister aux forces appliquées par l'équipement. Une meilleure compréhension de la mécanique des matériaux SSB sera transférée au développement d'électrolytes solides, de cathodes, d'anodes et d'architectures de cellules, ainsi que de blocs-batteries conçus pour gérer les contraintes liées à la fabrication et au fonctionnement des batteries.

 Figure 1 Diagramme schématique des batteries au lithium métal solide, de la mécanique et des phénomènes de transport.

 Figure 2 Échelle de longueur et mécanique du lithium métal en fonction du taux.

 Figure 3 La plasticité est déclenchée par la densification et l'écoulement par cisaillement dans les matériaux amorphes et renforcée par l'introduction de dislocations dans les céramiques cristallines, évitant ainsi la fracture.

 Figure 4 Récupération de déformation dans LiPON, entraînant un comportement de type hystérésis lors du chargement cyclique de la nanoindentation.

 Figure 5 Dommages causés par la fatigue d'une cathode solide composite.

 Figure 6 Diagramme schématique de la propagation du lithium à travers un électrolyte solide.