Новое защитное покрытие повышает безопасность и энергоплотность литийно-металлических батарей

Стэнфордский университет, Калифорния

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

Твердый, а не жидкий электролит между электродами батареи должен в теории обеспечить создание перезаряжаемой литийно-металлической батареи, которая безопаснее, обладает значительно большей энергоплотностью и заряжается намного быстрее коммерчески доступных литий-ионных батарей. На протяжении десятилетий ученые и инженеры исследовали различные пути реализации обещанного потенциала литийно-металлических батарей. Главная проблема исследуемых твердых кристаллических электролитов заключалась в образовании микронных трещин, которые растут в процессе эксплуатации до отказа батареи.

Исследователи Стэнфорда, опираясь на свои находки трилетней давности, раскрывшие механизм образования и расширения этих крошечных дефектов, обнаружили, что отжиг сверхтонкого серебряного покрытия на поверхности твердого электролита во многом решает проблему. Как сообщается в Nature Materials, это покрытие в пять раз увеличивает стойкость поверхности электролита к растрескиванию под механическим нагрузками. Оно также делает существующие несовершенства гораздо менее уязвимыми для проникновения лития внутрь, особенно при быстрой зарядке, когда нанотрещины превращаются в нанопощелины и в конечном итоге выводят батарею из строя.

«Твердый электролит, над улучшением которого работаем мы и другие, представляет собой своего рода керамику, которая легко пропускает литий-ионы туда-обратно, но она хрупка», — говорит Венди Гу, доцент механического инженерии и старший автор исследования. «В невероятно малом масштабе это не в чем-то отличается от керамических тарелок или мисок у вас дома, на поверхности которых есть крошечные трещины».

«Реальная твердотельная батарея состоит из слоев, сложенных в сэндвич: катод — электролит — анод. Произвести их без единого микродефекта практически невозможно и крайне дорого», — продолжает Гу. «Мы решили, что защитная поверхность — более реалистичный подход, и даже незначительное количество серебра оказывается довольно эффективным».

Ранее другие ученые изучали использование металлических серебряных покрытий на том же материале твердого электролита — известном как «LLZO» по составу (литий, лантан, цирконий, кислород) — с которым работали и в текущем исследовании. В то время как предыдущие работы использовали металлическое серебро для улучшения характеристик батареи, новое исследование применяет растворенную форму серебра, потерявшего электрон (Ag+). Именно этот заряженный ион серебра, в отличие от металлического, непосредственно отвечает за упрочнение керамики и предотвращение образования трещин.

Исследователи осадили 3-нанометровый слой серебра на поверхность LLZO, затем нагрели образцы до 300 °C (572 °F). При нагреве атомы серебра диффундировали в поверхностный слой электролита, замещая гораздо более мелкие атомы лития на глубине 20–50 нанометров. Серебро осталось в виде положительно заряженных ионов, а не металлического серебра, что, по мнению ученых, является ключевым фактором предотвращения образования трещин. В местах несовершенств присутствие ионов серебра также препятствует проникновению лития и росту деструктивных дендритов внутри электролита.

«Этот метод может быть расширен на широкий класс керамик. Он демонстрирует, что ультратонкие поверхностные покрытия способны сделать электролит менее хрупким и более стабильным в экстремальных электрохимических и механических условиях, таких как быстрая зарядка и давление», — говорит Синь Сю, работавший в Стэнфорде в лаборатории профессора Уильяма Чуэ, старшего автора исследования и директора Института Прекорта по энергетике, входящего в Школу устойчивого развития Стэнфорда.

С помощью специализированного зонда внутри растревающего электронного микроскопа исследователи измерили силу, необходимую для растрескивания поверхности. Серебро-модифицированный твердый электролит потребовал почти в пять раз больше давления для разрушения по сравнению с необлученным материалом. На данный момент эксперименты проводились на малых тестовых образцах, а не на полноценных батареях. Сейчас команда применяет серебряное поверхностное покрытие к полным литийно-металлическим батареям, чтобы проверить его эффективность в реальных условиях: при повторной быстрой зарядке и длительной эксплуатации.

Кроме того, команда исследует различные стратегии использования механического давления под разными углами для продления срока службы батареи. Также изучаются методы предотвращения отказов в других типах твердых электролитов, например, сернистых, которые могут обладать дополнительными преимуществами, такими как улучшенная химическая стабильность с литием. Применение этих результатов к ناشивающимся натриевым батареям представляет собой интригующую возможность, способную ослабить ограничения цепочек поставок литийных батарей.

Серебро — не единственный вариант, отмечают исследователи. Ранние тесты с другими, менее дорогими металлами — например, медью — показали обнадеживающие результаты. Вместе эти выводы указывают на новый гибкий подход к упрочнению хрупких материалов, которые могут стать критически важны для батарей следующего поколения.

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Венди Гу по адресу: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it..