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外部壓力調(diào)控對(duì)固態(tài)電池性能影響的深度剖析

外部壓力調(diào)控對(duì)固態(tài)電池性能影響的深度剖析
元能科技  2024-09-12  |  閱讀:564

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全固態(tài)電池(assb)具有理論能量密度高、本質(zhì)安全等優(yōu)點(diǎn),是最有前途的下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)。然而,電極與固體電解質(zhì)之間“固-固”接觸的限制嚴(yán)重阻礙了界面電荷傳輸。研究表明,外部壓力的引入可以有效降低“固-固”接觸電阻,延長(zhǎng)電池的循環(huán)壽命。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整外部壓力,可以?xún)?yōu)化固態(tài)電池的性能。但是外部壓力對(duì)固態(tài)電池的影響是多方面的,主要涉及固態(tài)電解質(zhì)(SSE)、電極以及它們之間的界面(圖1)。以下是對(duì)這些影響的詳細(xì)分析:


1、界面接觸性能

提高界面接觸性能:外部壓力可以使固體組分變形,從而改善固態(tài)電池內(nèi)部各組件之間的接觸狀態(tài)。當(dāng)外部壓力施加均勻時(shí),能夠確保電池內(nèi)部各界面(如電極與電解質(zhì)界面)的接觸更加緊密,減少接觸不良和孔隙,提高離子和電子的傳輸效率。

降低界面電阻:均勻的外部壓力有助于降低界面電阻,因?yàn)榫o密的接觸可以減少電子和離子在傳輸過(guò)程中的阻礙,從而提高電池的整體性能。不均勻的受力情況如圖2。

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圖1.固態(tài)電池組成[1][3]

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圖2.受力分布不均勻


2、循環(huán)穩(wěn)定性和安全性

防止鋰枝晶生長(zhǎng):鋰枝晶是固態(tài)電池中常見(jiàn)的問(wèn)題之一,它們可能穿透電解質(zhì)并導(dǎo)致短路。均勻的外部壓力可以抑制鋰枝晶的生長(zhǎng),因?yàn)閴毫梢跃鶆蚍植荚谡麄€(gè)電池內(nèi)部,防止局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中和鋰枝晶的優(yōu)先生長(zhǎng)(圖3)。

提高循環(huán)壽命:均勻的外部壓力有助于保持電池在循環(huán)過(guò)程中的穩(wěn)定性,減少因接觸不良和應(yīng)力集中導(dǎo)致的性能衰減。這可以顯著提高電池的循環(huán)壽命,使其更加適用于需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的應(yīng)用場(chǎng)景。

增強(qiáng)安全性:固態(tài)電池的安全性是其相對(duì)于液態(tài)電池的一大優(yōu)勢(shì)。均勻的外部壓力可以進(jìn)一步增強(qiáng)這種安全性,通過(guò)減少短路和漏液等潛在風(fēng)險(xiǎn)來(lái)降低熱失控和爆炸等安全事故的發(fā)生概率。

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圖3.不同壓力下?tīng)顟B(tài)[2][4]


3、能量密度和功率密度

提高能量密度:均勻的外部壓力有助于優(yōu)化電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu),減少無(wú)效空間和孔隙,從而提高電池的能量密度。這意味著在相同體積或重量下,固態(tài)電池可以存儲(chǔ)更多的能量。

提升功率密度:由于均勻的外部壓力改善了離子和電子的傳輸效率,固態(tài)電池的功率密度也可能得到提升。這使得電池能夠更快地充放電,滿(mǎn)足高功率應(yīng)用的需求。

元能科技固態(tài)電池工況分析儀可以對(duì)固態(tài)電池施加均勻的外部壓力,可以在不同溫度下(-20℃~80℃)進(jìn)行不同壓力不同工況的測(cè)試,壓力上限可達(dá)到10T,厚度測(cè)試精度為1μm,對(duì)于固態(tài)電池前期的外部壓力摸索提供幫助。

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圖4.元能科技固態(tài)工況分析儀SSB2D00

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圖5.應(yīng)用案例測(cè)試數(shù)據(jù)

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表1.對(duì)比分析表

綜上所述,外部壓力對(duì)固態(tài)電池的影響是多方面的,既包括對(duì)SSE、電極以及它們之間界面的直接影響,也包括對(duì)電池整體性能的間接影響。在設(shè)計(jì)和制造固態(tài)電池時(shí),需要充分考慮外部壓力的作用,通過(guò)合理設(shè)計(jì)壓力參數(shù),實(shí)現(xiàn)電池性能的最優(yōu)化。同時(shí),也需要注意控制壓力的均勻性和穩(wěn)定性,以避免因壓力不均引起的性能下降或安全問(wèn)題。


參考文獻(xiàn)

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