Een revolutie in de energieopslag:vaste-elektrolyt-lithiumbatterijen bieden veiligheid, capaciteit en snelheid

Andrew Corselli

Artistieke weergave van een atomair dunne laag zilver en enkele zilveratomen onder het oppervlak, die de kristallijne structuur van een vaste elektrolyt beschermt tegen mechanische druk. (Afbeelding:Chaoyang Zhao)

Een vaste – in plaats van vloeibare – elektrolyt tussen de tegenovergestelde elektroden van een batterij zou in theorie een oplaadbare lithium-metaalbatterij mogelijk moeten maken die veiliger is, veel meer energie bevat en aanzienlijk sneller oplaadt dan de Li-ion-batterijen die tegenwoordig in de handel verkrijgbaar zijn. Decennia lang hebben wetenschappers en ingenieurs verschillende wegen verkend om de grote belofte van lithium-metaalbatterijen waar te maken. Een groot probleem met de vaste, kristallijne elektrolyten die we bestuderen is de vorming van microscopisch kleine scheurtjes die tijdens gebruik groter worden totdat de batterij het begeeft.

Stanford-onderzoekers hebben, voortbouwend op bevindingen die ze drie jaar geleden publiceerden en die identificeerden hoe deze kleine onvolkomenheden zich vormen en uitbreiden, ontdekt dat het uitgloeien van een extreem dunne zilverlaag op het oppervlak van de vaste elektrolyt het probleem grotendeels lijkt op te lossen. Zoals gerapporteerd in Natuurmaterialen Deze coating maakt het oppervlak van de elektrolyt vijfvoudig sterker tegen breuken door mechanische druk. Het maakt bestaande onvolkomenheden ook veel minder kwetsbaar voor lithium dat zich binnenin nestelt, vooral tijdens snel opladen, waardoor nano-spleten in nano-spleten veranderen en de batterij uiteindelijk onbruikbaar wordt.

“De vaste elektrolyt waar wij en anderen aan werken is een soort keramiek waarmee de Li-ionen gemakkelijk heen en weer kunnen bewegen, maar het is broos”, zegt senior auteur Wendy Gu, universitair hoofddocent Werktuigbouwkunde. “Op ongelooflijk kleine schaal lijkt het op keramische borden of kommen die je thuis hebt en die kleine scheurtjes in het oppervlak hebben.”

"Een echte solid-state batterij is gemaakt van lagen gestapelde kathode-elektrolyt-anodeplaten. Het vervaardigen hiervan zonder zelfs de kleinste onvolkomenheden zou bijna onmogelijk en erg duur zijn, "zei Gu. "We hebben besloten dat een beschermend oppervlak misschien realistischer is, en een klein beetje zilver lijkt behoorlijk goed werk te leveren."

Eerder onderzoek door andere wetenschappers onderzocht het gebruik van metallische Ag-coatings op hetzelfde vaste elektrolytmateriaal – bekend als ‘LLZO’ vanwege de mix van lithium-, lanthaan- en zirkoniumatomen, evenals zuurstof – waarmee de huidige studie werkte. Terwijl in de eerdere onderzoeken metallisch zilver werd gebruikt om de prestaties van de batterij te verbeteren, werd in de nieuwe studie gebruik gemaakt van een opgeloste vorm van zilver die een elektron heeft verloren (Ag+). Dit opgeloste, geladen zilver is – in tegenstelling tot metallisch, massief zilver – rechtstreeks verantwoordelijk voor het uitharden van het keramiek tegen scheurvorming.

De onderzoekers brachten een 3 nanometer dikke laag zilver aan op LLZO-oppervlakken en verwarmden de monsters vervolgens tot 300 ° C (572 ° F). Tijdens het verwarmen diffundeerden de zilveratomen in het oppervlak van de elektrolyt en wisselden ze van plaats met veel kleinere lithiumatomen tot een diepte van 20 tot 50 nanometer. Het zilver bleef achter als positief geladen ionen in plaats van metallisch zilver, wat volgens de wetenschappers de sleutel is om de vorming van scheuren te voorkomen. Waar er onvolkomenheden zijn, voorkomt de aanwezigheid van enkele positieve zilverionen ook dat lithium binnendringt en destructieve vertakkingen in de elektrolyt laat groeien.

“Ons onderzoek laat zien dat zilverdoping op nanoschaal fundamenteel kan veranderen hoe scheuren ontstaan en zich voortplanten aan het elektrolytoppervlak, waardoor duurzame, storingsbestendige vaste elektrolyten worden geproduceerd voor de volgende generatie energieopslagtechnologieën”, zegt toenmalig onderzoeksleider Xin Xu, nu assistent-professor, engineering, Arizona State University.

Hier is een exclusieve Tech Briefs interview, bewerkt voor lengte en duidelijkheid, met Xu.

Technische slips :Wat was de grootste technische uitdaging waarmee u te maken kreeg tijdens het uitgloeien van de coating?

Xu :Voordat ik antwoord geef, wil ik duidelijk maken dat wij zeker niet de eerste groep zijn die aan zilver denkt. Zilvercoatings worden al een paar jaar gebruikt in vastestofbatterijen, meestal als tussenlaag tussen lithiummetaal en een vaste elektrolyt. Het is duidelijk dat ze goed werken. Maar we kwamen hier met een iets ander idee. We begonnen zilver als een magisch element te beschouwen. Het is groot en zeer polariseerbaar.

Dit betekent dat de zilveren armen zo flexibel zijn dat ze materialen op plekken kunnen persen waar kleine ionen dat niet kunnen. Onze hypothese hier is heel eenvoudig:als zilver de elektrolyt in de cel zou kunnen diffunderen of samendrukken, zou dit drukspanning kunnen veroorzaken en het materiaal zelfs harder kunnen maken. Hierdoor wordt het materiaal beter bestand tegen scheuren.

Toen we dit idee voor het eerst hadden, dachten we:‘Hoe moeilijk kan het zijn? Doe er gewoon zilver in.’ Het bleek zo, zo moeilijk. De grootste technische uitdaging was:Vaste elektrolyten zijn extreem gevoelig voor lucht. Vocht reageert met CO2, waardoor er ook een verontreinigingslaag op het oppervlak ontstaat. Zelfs in het laboratorium gebeurt dit zo gemakkelijk. Zodra deze verontreiniging op het oppervlak van de elektrolyt zich vormt, kan zilver niet meer doen wat we willen.

Uiteindelijk realiseerden we ons dat de netheid van het oppervlak gewoon alles was. Dus als we een ultraschoon oppervlak creëren, kan het zilver onschadelijk worden in het materiaal van de elektrolyt en de drukspanning genereren waar we naar streefden. Vanaf dat moment raakten we erg obsessief met de controle van de laboratoriumomgeving. We zijn begonnen vanaf de monstervoorbereiding, vanaf de karakterisering van de coating tot aan het testen. Bij elke stap werd alles gedaan in strak gecontroleerde luchtvrije omstandigheden. Speciaal voor dit project hebben we zelfs een zeer uniek, op maat gemaakt, luchtvrij transferschip ontworpen. We verkopen dit zelfs op Amazon. Toen we dat eenmaal deden, waren de resultaten heel duidelijk. Heel spannend.

Technische slips :Heeft u plannen voor toekomstig werk?

Xu :We hebben verschillende dingen in gedachten voor de volgende stappen. Ten eerste, en ik denk dat dit waarschijnlijk mijn favoriete onderdeel is, willen we andere elementen proberen. Deze resultaten suggereren dat de ionische grootte een sleutelfactor is. Als dat waar is, is zilver niet speciaal omdat het zilver is; het is speciaal omdat het groot is. Dit betekent dat goedkopere maar grotere elementen ook zouden kunnen werken. Bijvoorbeeld natrium, kalium of koper. We hebben zelfs al enkele veelbelovende resultaten met koper behaald.