以往對於固態電池的研究，很可能太片面了。

發表在最新一期Science上的一篇綜述，提出了這個觀點。

因爲想要實現高性能、高循環壽命的固態電池，現在的大多數研究都致力於提升固態電池的電化學性質。

實際上，固態電池的力學結構也需要考慮在內。

爲什麼要研究力學結構？要怎麼了解不同材料下固態電池的力學結構？

因爲力學結構導致固態電池失效，又有什麼對應的解決辦法？

來自美國橡樹嶺國家實驗室和密歇根理工大學的五位作者，詳細解答了這些問題。

固態電池中力學的關鍵作用

既然需要關注固態電池的力學結構，那麼如何評估和設計呢？

論文提供了一個理解和設計力學結構可靠的固態電池的框架。

該框架包括三個方面：

1、識別和理解該固態電池中局部應變的來源；2、瞭解這種應力，特別是在電池界面處，以及電池材料對這些應力的響應；3、設計具有所需應力和應變演變的電池材料和電池單元。

其中，應力是材料受到的外力大小，應變是指材料在受到外力時的形變程度。

以固態電解質爲例，衆所周知，固態鋰電池比液態鋰電池更安全的關鍵因素是，固態電池中的固態電解質可以有效抑制鋰枝晶的生長。

△鋰枝晶

而不同的固態電解質材料對鋰枝晶抑制效果也存在不同，評估抑制效果好壞的一個標準就是該材料的應力和應變。

如果這種固態電解質即使受到很大的應力，也不易發生彈性形變，比如氧化物電解質，這意味着這種固態電解質材料能有效抑制鋰枝晶生長；但同時，氧化物電解質的硬度和剛度很高，更有可能發生斷裂等情況，影響固態電池的性能。

△應力-應變的關係曲線，來源參考論文2

所以，在選擇固態電解質時選擇各項性能更平衡的材料，更有利於提高固態電池的性能和使用壽命。

這也是爲什麼需要研究固態鋰電池的力學結構。

固態鋰電池的充放電過程伴隨着陰陽極體積的變化，比如陰極中的晶格拉伸和扭曲以及陽極中的金屬鋰沉積。

△固態鋰電池中對應的力學和傳遞現象

而液態鋰電池得益於液態電解質，陰陽極體積變化不會影響電池內部的受力結構，但因爲固態鋰電池中固態含量較高，陰陽極體積的改變可能會影響固態鋰電池的穩定性。

假如陽極某一處鋰沉積過多，會導致該處的應力增大。

假如應力超過了固態電解質承受的極限，材料形變過大（也就是應變程度），會有材料斷裂、粉化等風險。

所以，材料的力學性質的變化會影響材料的電化學性質，進而導致電池性能惡化甚至失效。

除了固態電解質，電極的組成成分（活性物質、粘結劑、導電劑等），所使用的材料也會影響到電池的力學結構，這篇論文提供的框架可以用來研究這些材料的力學特性。

作者希望通過這篇論文能更方便研究人員理解固態電池發生故障的潛在原因，同時論文也給出了這些問題的解決方案。包括：

根據長度尺度、溫度和應變速率（電流密度）來研究鋰金屬的應力緩解機制；

根據長度尺度、溫度和應變速率來研究陶瓷、玻璃和非晶陶瓷的應力緩解機制；

討論陶瓷、玻璃電解質的工程延展性；

設計一種鋰金屬陽極，既能消除鋰金屬的不均勻沉積和剝離，也能緩解鋰-電解質界面的應力；

設計一種陰極活性材料，具有零循環應變、抗斷裂的特點，或者具有一定的延展性；

設計一種複合陰極，實現應變最小化、應力釋放最大化；

進行詳細建模，以描述固態電池中應力和應變的演變，包括長度尺度效應（length-scale effects）、摩擦（friction）、粘附（adhesion）和蠕變（creep）。

那麼，又是誰完成了這篇論文？

論文作者簡介

論文一作爲Sergiy Kalnaus，來自美國橡樹嶺國家實驗室，是計算科學與工程部的高級研究員。

Sergiy Kalnaus擁有內華達大學機械工程博士學位，曾獲得美國能源部頒發的科學技術傑出貢獻獎。另外還擁有四項專利，其中三項關於電解質，一項關於電極漿料，發表過34篇論文，被引次數爲3195次。

論文作者還包括Nancy J. Dudney，同樣來自橡樹嶺國家實驗室，是化學科學部院士及小組組長。

Nancy J. Dudney本科就讀於威廉瑪麗學院化學專業，畢業後直接升入麻省理工學院陶瓷工程學院，並完成博士學位。曾獲得美國能源部頒發的傑出發明家稱號，獲得大大小小超13個獎項，擁有超過14項專利，目前正在研究混合動力汽車電池的新型材料。

論文作者還有同樣來自化學科學部的Andrew S. Westover，是該部門的材料科學家。

Andrew S. Westover已經在《ACS能源快報》、《材料化學》等多個期刊上發表超25篇論文，其中還包括電化學三大頂刊之一電化學學會雜誌JES，被引次數達到3292次。目標是實現下一代能源存儲，包括固態鋰電池。

論文的作者還有Erik Herbert，來自橡樹嶺國家實驗室材料科學與技術部。

Erik Herbert同時還是密歇根理工大學，材料科學與工程專業的兼職教授，在田納西大學取得材料科學與工程的博士學位。一共發表14篇論文，被引次數達到4288次。

論文的最後一位作者是Steve Hackney，是密歇根理工大學的材料科學與工程專業的全職教授。

Steve Hackney本科就讀於詹姆斯麥迪遜大學化學專業，碩士和博士均就讀於弗吉尼亞大學材料科學專業，研究方向包括鋰離子電池、陶瓷電池材料、電池薄膜和納米結構等。

本文從固態電池領域的領先研究出發，系統地提出了固態電池的力學結構框架，重點關注應力的產生、預防和緩解機制，提出了多個解決方案。

當下大多數固態電池研究都致力於改善電解質的離子傳輸速率和電化學穩定性，這篇論文則彌補了這一差距，也有利於開發能量密度更高、性能更優、更安全穩定的固態電池。

參考鏈接

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg5998

[2]https://wulixb.iphy.ac.cn/article/id/79257274-6b4a-4976-887f-c28178f88d30

責任編輯：落木