Революция в хранении энергии:твердоэлектролитные литиевые батареи обеспечивают безопасность, емкость и скорость

Эндрю Корселли

Художественная визуализация атомно-тонкого покрытия серебра и некоторых атомов серебра под поверхностью, защищающего кристаллическую структуру твердого электролита от механического давления. (Изображение:Чаоян Чжао)

Твердый, а не жидкий электролит между противоположными электродами батареи теоретически должен позволить создать перезаряжаемую литий-металлическую батарею, которая является более безопасной, упаковывает гораздо больше энергии и заряжается значительно быстрее, чем литий-ионные батареи, имеющиеся в продаже сегодня. На протяжении десятилетий ученые и инженеры исследовали несколько путей реализации огромных перспектив литий-металлических батарей. Основной проблемой, связанной с изучаемыми твердыми кристаллическими электролитами, является образование микроскопических трещин, которые растут во время использования, пока батарея не выйдет из строя.

Исследователи из Стэнфорда, опираясь на результаты, опубликованные три года назад, которые определили, как формируются и расширяются эти крошечные дефекты, обнаружили, что отжиг чрезвычайно тонкого серебряного покрытия на поверхности твердого электролита, по-видимому, в значительной степени решает проблему. Как сообщается в Природные материалы Это покрытие в пять раз повышает прочность поверхности электролита и предотвращает разрушение от механического давления. Это также делает существующие дефекты менее уязвимыми для лития, проникающего внутрь, особенно во время быстрой перезарядки, которая превращает нанотрещины в нанощели и в конечном итоге делает батарею бесполезной.

«Твердый электролит, над улучшением которого мы и другие работаем, представляет собой своего рода керамику, которая позволяет литий-ионным аккумуляторам легко перемещаться вперед и назад, но он хрупкий», — сказала старший автор Венди Гу, доцент кафедры машиностроения. «В невероятно маленьком масштабе это мало чем отличается от керамических тарелок или мисок, которые есть у вас дома и имеют крошечные трещинки на поверхности».

"Реальная твердотельная батарея состоит из слоев сложенных друг на друга листов катод-электролит-анод. Производство их без малейших дефектов было бы практически невозможно и очень дорого", - сказал Гу. «Мы решили, что защитная поверхность может быть более реалистичной, и кажется, что немного серебра вполне сработает».

Предыдущие исследования других ученых изучали использование покрытий из металлического серебра на том же твердом электролитном материале, известном как «LLZO» из-за смеси атомов лития, лантана и циркония, а также кислорода, с которым работало нынешнее исследование. В то время как в более ранних исследованиях металлическое серебро использовалось для улучшения характеристик батареи, в новом исследовании использовалась растворенная форма серебра, потерявшая электрон (Ag+). Это растворенное, заряженное серебро — в отличие от металлического, твердого серебра — непосредственно отвечает за упрочнение керамики от образования трещин.

Исследователи нанесли слой серебра толщиной 3 нанометра на поверхности LLZO, а затем нагрели образцы до 300 °C (572 °F). Во время нагрева атомы серебра диффундировали в поверхность электролита, меняясь местами с гораздо меньшими атомами лития на глубину от 20 до 50 нанометров. Серебро осталось в виде положительно заряженных ионов, а не металлического серебра, которое, по мнению ученых, является ключом к предотвращению образования трещин. Там, где существуют дефекты, присутствие некоторых положительных ионов серебра также предотвращает проникновение лития и рост разрушительных ответвлений внутри электролита.

«Наше исследование показывает, что наноразмерное легирование серебром может фундаментально изменить процесс возникновения и распространения трещин на поверхности электролита, создавая долговечные, отказоустойчивые твердые электролиты для технологий хранения энергии следующего поколения», — сказал тогдашний руководитель исследований Синь Сюй, ныне доцент кафедры инженерных наук в Университете штата Аризона.

Вот эксклюзивные Технические обзоры интервью с Сюй, отредактированное для обеспечения длины и ясности.

Технические обзоры :С какой самой большой технической проблемой вы столкнулись при отжиге покрытия?

Сюй :Прежде чем ответить, хочу уточнить, что мы определенно не первая группа, которая задумалась о серебре. Серебряные покрытия уже несколько лет используются в твердотельных батареях, в основном в качестве промежуточного слоя между металлическим литием и твердым электролитом. Очевидно, они работают хорошо. Но мы пришли к этому с немного другой идеей. Мы начали думать о серебре как о волшебном элементе. Он большой и обладает высокой поляризуемостью.

Это означает, что серебряные рукава настолько гибки, что могут сжимать материалы в местах, куда не могут попасть маленькие ионы. Наша гипотеза здесь очень проста:если бы серебро могло диффундировать или сжимать электролит в ячейке, оно могло бы создать сжимающее напряжение и фактически сделать материал более жестким. Это сделает материал более устойчивым к растрескиванию.

Когда у нас впервые возникла эта идея, мы подумали:«Насколько это может быть сложно?» Просто положи туда серебро». Это оказалось так, очень сложно. Самая большая техническая проблема заключалась в том, что твердые электролиты чрезвычайно чувствительны к воздуху. Влага вступает в реакцию с CO2, и это также образует слой загрязнения на поверхности. Даже в лаборатории это происходит так легко. Как только это загрязнение образуется на поверхности электролита, серебро просто не может делать то, что мы хотим.

В конце концов мы поняли, что чистота поверхности — это просто все. Итак, если мы создадим сверхчистую поверхность, серебро сможет раствориться в материале электролита и создать сжимающее напряжение, к которому мы стремились. С тех пор мы стали очень одержимы контролем лабораторной среды. Мы начали с подготовки образцов, от определения характеристик покрытия до испытаний. На каждом этапе все делалось в строго контролируемых безвоздушных условиях. Специально для этого проекта мы даже спроектировали уникальный безвоздушный перегрузочный сосуд. Мы даже продаем это на Amazon. Как только мы это сделали, результаты стали очень очевидными. Очень интересно.

Технические обзоры :Есть ли у вас планы на будущее?

Сюй :У нас есть несколько идей для следующих шагов. Во-первых, и я думаю, что это, наверное, моя любимая часть, мы хотим попробовать другие элементы. Эти результаты показывают, что размер ионов является ключевым фактором. Если это правда, то серебро особенное не потому, что оно серебро; оно особенное, потому что оно большое. Это означает, что более дешевые, но большие элементы также могут работать. Например, натрий, калий или медь. Фактически, мы уже получили несколько очень многообещающих результатов с медью.