Новое защитное покрытие повышает безопасность литий-металлических батарей и плотность энергии

Стэнфордский университет, Калифорния

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-ионам легко перемещаться вперед и назад, но он хрупкий», — сказала Венди Гу, доцент кафедры машиностроения и старший автор исследования. «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.

"Этот метод можно распространить на широкий класс керамики. Он демонстрирует, что ультратонкие поверхностные покрытия могут сделать электролит менее хрупким и более стабильным в экстремальных электрохимических и механических условиях, таких как быстрая зарядка и давление", - сказал Синь Сюй, который в Стэнфорде работал в лаборатории профессора Уильяма Чу, старшего автора исследования и директора Прекортского института энергетики, который является частью Стэнфордской школы устойчивого развития Дёрра.

Используя специальный зонд внутри сканирующего электронного микроскопа, исследователи измерили силу, необходимую для разрушения поверхности. Твердый электролит, обработанный серебром, требовал почти в пять раз большего давления для растрескивания по сравнению с необработанным материалом. До сих пор эксперименты проводились с небольшими тестовыми образцами, а не с целыми батареями. В настоящее время исследователи применяют обработку поверхности на основе серебра к полностью литий-металлическим батареям, чтобы проверить, насколько хорошо покрытие работает в реальных условиях, таких как повторная быстрая зарядка и длительное использование.

Кроме того, команда исследует различные стратегии использования механического давления под разными углами, которые могут продлить срок службы батареи. Они также изучают методы предотвращения выхода из строя других типов твердых электролитов, например, на основе серы, которые могут иметь дополнительные преимущества, такие как улучшенная химическая стабильность лития. Применение этих результатов к новым батареям на основе натрия представляет собой интригующую возможность, которая может помочь смягчить ограничения в цепочке поставок батарей на основе лития.

По словам исследователей, серебро — не единственный вариант. Первые испытания с другими, менее дорогими металлами — например, с медью — показали обнадеживающие результаты. В совокупности эти результаты предлагают новый и гибкий подход к повышению прочности хрупких материалов, которые могут иметь решающее значение для батарей следующего поколения.

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Венди Гу по адресу:Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра у вас должен быть включен JavaScript.