作者： 时间：2023-04-15
材料测试技术的进步使科学家和工程师能够测量机械性能，并观察和描述控制变形和失效的机械现象，程度几乎可达原子水平，能量储存就是从这项测试技术的进步中受益的一个领域，选择制造更高能量容量的电池对笔记本电脑、智能手机以及电动汽车的性能有着直接的影响。
现在的许多便携式设备和车辆中使用的可充电电池都是锂离子（Li-ion），这些锂电池由两个电极组成，正极是由锂制成，负极是由石墨制成，另外还有一个化学电解质。锂的巨大容量和金属在充电和放电循环时将锂离子和电子移入和移出电极的能力，使得锂成为阳极的理想材料。
电解液在化学上含有电荷，当电池连接在电路中时，它是电流在电极之间流动的媒介。由于锂离子电池中的电解液还含有锂溶液，锂电极能够与这种介质发生反应，导致在电池充放电循环过程中形成枝晶纤维。这些纤维从电极移出并进入电解液，在那里它们打破了电子通常采取的受控路径，在整个结构中杂乱无章地产生导电路径，这可能会导致快速放电，使多余的电流流动，电池过早失效。它还可能会使电池升温，达到起火的程度，导致火灾。
为了能够在能量密度、车辆续航能力、成本要求以及安全性方面实现重大改进，强大的下一代可充电电池化学成分（如锂空气和锂硫）可能需要使用金属锂阳极。然而，由于枝晶的形成，金属锂在液体和聚合物电解质中的使用受到限制，所以解决该问题的成果并不显著，但也有一定程度的成功。
研究纯锂和超离子固态电解质：
密歇根技术大学材料科学与工程系小型机械测试实验室正在与橡树岭国家实验室和密歇根大学合作，一起探寻一种通过超离子固态电解质进入并受其保护的纯锂阳极的方法，该电解质将防止副反应并实现安全、长期和高速循环的性能。
在探索过程中，密歇根技术大学材料科学与工程系助理教授Erik G. Herbert博士说:“我们的实验室专注于小体积材料的机械特性，我们尝试深入了解金属、陶瓷、聚合物、复合材料以及生物材料等材料在其边界受到机械载荷时是如何做出反应的。另外，我们进行弹性和硬度等特性相关的实验，以探索这些材料的特性。”
锂离子技术的主要风险和目前的限制是在电池的循环寿命中锂的逐渐损失，特别是由粗糙化、枝晶或分层过程的物理隔离或副反应的化学隔离引起的损失。为了减少这些问题，Herbert博士的团队致力于对降解过程进行更深入的分析，并对锂-金属固体电解质界面作为循环功能的预测性理解。具体来说，需要了解锂是如何逐渐消耗的？为什么界面具有惊人的电阻？电解质如何最终失效？锂中的缺陷如何随着进一步的循环或时间而迁移、聚集或练韧？此外，是否可以使用更软的电解质而不侵入锂枝晶以及加工和制造对界面性能有什么影响？
在为回答这些问题所做的努力中，密歇根理工大学正在开展最先进的小规模机械技术来提供关键信息，直接对微观结构、缺陷以及锂和固态电解质的机械行为之间的复杂耦合提供变革性的见解。
纳米压痕研究：
除了通过大学的应用化学和形态分析实验室获得的大量光学和电子显微镜、原子力显微镜和X射线衍射仪器外，小规模机械测试实验室还运营着一套由六个小规模机械测试平台组成的多功能套件，用户可以直接控制测试的方式以及原始数据的记录、还原和分析。
用于进行锂离子测试的主要技术之一是纳米压痕。锂膜、各种固体电解质和完全可操作的固态电池的研究是在惰性气氛中作为许多变量的函数进行的，如应变、应变率、温度、化学、成分、缺陷结构、微结构长度尺度和电池的操作循环。在传统的压痕测试（宏观或微观压痕）中，由金刚石等材料制成的硬尖端（其机械性能已知）被压入性能未知的样品中，当压头进一步渗透到试样中并很快达到定义值时，压头上的载荷会增加，此时，负载可能会保持一段时间不变或者被移除。测量样品中残留压痕的面积，并将硬度定义为最大载荷除以残余压痕面积。对于纳米压痕，使用的是小的载荷和尖端尺寸，因此压痕面积可能只有几平方微米甚至几纳米，这给硬度的确定带来了问题，因为接触区域不容易被找到。
原子力显微镜或扫描电子显微镜技术可用于对纳米级压痕进行成像，但可能很麻烦。取而代之的是使用具有高精度几何形状的压头，例如Berkovich尖端，这是一种三面金字塔几何形状。在压痕过程中，记录穿透深度，然后使用分析模型和压痕尖端的已知几何形状确定压痕在负载下的面积。测量参数的记录可以绘制在图表上，以创建载荷-位移曲线，该曲线用于提取材料的机械性能。
实验室使用的关键纳米压痕系统是由Nanomechanics，Inc.公司制造的iNano。它是目前市场上最新一代并且性能最高的环境和非环境纳米压痕系统。Herbert博士说：“iNano的使能技术之一是能够在使用20微秒的测量时间常数的同时，实现位移信号中小于1 nm的噪声，没有对快速时间常数数据进行平均来降低噪声基底，加上100 kHz的数据采集速率，最关键的是iNano提供了无与伦比的执行高速测试的能力，以及捕捉应变爆发、断裂、薄膜分层和动态振铃等突发事件的能力。”
“纳米压痕是关键任务，”Herbert博士继续说道。如果没有纳米压痕，就没有办法研究固体电解质和锂电阳极中这些变量的机械性能是如何变化的。另外，纳米压痕提供了材料阻尼能力的直接测量，有利于测量相位角等的特性，并让我们了解它是如何耗散机械能量的。
负刚度隔振：
在小规模机械测试实验室内进行的纳米压痕测量，深度可能只有几纳米，但通常在50至300纳米（0.05至0.15微米）左右。这种纳米级精度的测量需要与周围环境振动隔离，特别是极低频振动，而气动台是无法充分防止这种振动的。另外，将实验室敏感的纳米仪器与低频振动隔离开来，对保持成像质量和数据完整性变得越来越重要。
低赫兹振动由多种因素引起。每个结构都在传递噪声，在建筑物本身内，供暖和通风系统、风扇、泵和电梯只是产生振动的一些机械设备。建筑物内人员的移动是振动的另一个来源，例如，根据实验室设备与这些振动源的距离以及设备在结构中的位置（例如：在三楼还是在地下室）决定仪器受到的影响程度。在建筑物外部，实验室的研究可能会受到车辆运动，附近建筑，飞机噪音甚至风和其他天气条件的振动的影响，这些振动都可能导致结构的移动。
任何高分辨率仪器，如电子显微镜、原子力显微镜、透射电子显微镜或纳米压痕系统，最好位于厚混凝土板或岩床上的地下室，以最大限度地减少低频振动的影响。对于高灵敏度仪器，这些振动会影响和破坏数据集和成像。但是，精密纳米压痕仪器放置在地下室并不是这种小型机械测试实验室的合理方案。
Herbert博士的实验室是设在六楼，因为六楼的温度稳定性最好，适合实验研究，但同时，不得不面对位于七楼以上屋顶的空气处理系统发出的低频率振动。振动实际上可以通过建筑结构感觉到，将iNano压痕系统放置在实验室现有的一个气动台上，测量位移随时间的变化，由于噪音太大，无法提取有意义的结果。如果要利用这个温度稳定性最好的位置，还需要找到更好的隔振解决方案。
由于过去在实验室显微镜应用中使用负刚度隔振，实验室联系了负刚度隔振器的开发商Minus K Technology，为纳米压痕系统推荐解决方案。
Herbert博士说：“我们将iNano放置在BM-1隔振台上，就像我们在气动台上所做的一样，并连续几天进行完全相同的测试，负刚度隔振台的性能远远超过气动工作台。从数据集来看，很明显负刚度隔离器比气动工作台有巨大的优势。”负刚度隔振台非常有利的是，它们在多个方向上实现了高水平的隔振。负刚度振动隔离可以灵活地定制谐振频率，垂直和水平方向为0.5Hz*（某些版本水平为1.5Hz）。
负刚度振动隔离的发明者、Minus K Technology公司的总裁和创始人David Platus博士说："垂直运动隔振是由一个支持重量负荷的刚性弹簧与一个负刚度机制相结合提供的。"在不影响弹簧的静态负载支持能力的情况下，净垂直刚度被做得非常低。与垂直运动隔振台串联的梁柱提供水平运动隔震。梁柱的作用是与负刚度机构相结合的弹簧。
振动传递率是指相对于输入振动而言，通过隔震台传递的振动的量度。负刚度隔振器在调整到0.5赫兹时，在2赫兹时的隔振效率约为93%；在5赫兹时为99%；而在10赫兹时为99.7%。负刚度隔振器提供了非常高的性能，这可以通过传导性曲线来衡量。
负刚度隔震台在0.5Hz时发生共振，在这个频率上，几乎没有能量存在，如果能在0.5Hz发现明显的振动是很罕见的现象。频率高于0.7Hz的振动（负刚度隔振器开始隔振）会随着频率的增加而迅速减弱。
总结：
Herbert博士说：“我们研究的预期结果是对锂阳极和固体电解质的机械性能如何控制离子传输和限制固态电池技术的整体循环性能的清晰解释和理解，这将揭示成功制造固体电解质和封装所必需的设计规则，以便在多个循环中保持锂的完全访问和有效循环。它将使先进的锂离子电池的开发成为可能，能够大大扩展性能，并且明显比目前任何其他锂离子电池的选择更安全。"
Herbert博士还补充说：“毫无疑问，事实证明，纳米压痕和负刚度振动隔离隔振台对推进这一重要的锂离子研究是至关重要的。“
（*请注意，对于固有频率为0.5 Hz的隔振系统，隔震从0.7 Hz开始，并随着振动频率的增加而改善。固有频率更常用于描述系统性能。）
