Energieopslag Gerenoveerd: Vaste-elektrolyt Lithiumbatterijen Bieden Veiligheid, Capaciteit en Snelheid

Auteur: Andrew Corselli

Artiestse indruk van een atomaire dunne zilverlaag en zilveratomen onder het oppervlak, die de kristallijn structuur van een vaste elektrolyt beschermen tegen mechanische druk. (Afbeelding: Chaoyang Zhao)

Een vaste — in plaats van vloeibare — elektrolyt tussen de elektroden van een batterij zou in theorie een herlaadbare lithiummetaalbatterij mogelijk maken die veiliger is, veel meer energie opslaat en aanzienlijk sneller laadt dan de commercieel beschikbare Li-ion batterijen. Decennialang hebben wetenschappers en ingenieurs verschillende paden verkend om de grote belofte van lithiummetaalbatterijen te realiseren. Een groot probleem met de vaste, kristallijne elektrolyten die bestudeerd worden, is de vorming van microscopische scheuren die tijdens gebruik groeien tot de batterij faalt.

Stanford-onderzoekers, voortbouwend op bevindingen die ze drie jaar geleden publiceerden over hoe deze kleine imperfecties ontstaan en uitbreiden, ontdekten dat aannealen van een extreem dunne zilverlaag op het oppervlak van de vaste elektrolyt het probleem grotendeels oplost. Zoals gerapporteerd in Nature Materials, maakt deze coating het oppervlak van de elektrolyt vijfvoudig weerstandsfähiger tegen breukvorming door mechanische druk. Het maakt bestaande imperfecties ook veel minder kwetsbaar voor lithiuminfiltratie, vooral tijdens snelladen, wat nanoscheuren omzet in nanokronkels en de batterij uiteindelijk onbruikbaar maakt.

"De vaste elektrolyt waar we en anderen aan werken is een soort keramiek die lithium-ionen gemakkelijk heen en weer laat shuttelen, maar het is broos," zegt Senior Author Wendy Gu, Associate Professor Mechanische Techniek. "Op ongelooflijk kleine schaal is het niet anders dan de keramische borden of kommen die je thuis hebt met kleine scheurtjes op het oppervlak."

"Een echte vastestofbatterij bestaat uit gelagde kathode-elektrolyt-anode vellen. Deze te produceren zonder zelfs de kleinste imperfecties is bijna onmogelijk en erg duur," aldus Gu. "We besloten dat een beschermende laag realistischer is, en net een beetje zilver lijkt een prima werk te doen."

Eerder onderzoek van andere wetenschappers onderzocht het gebruik van metalen Ag-coatings op hetzelfde vaste elektrolytmateriaal — bekend als "LLZO" voor de mix van lithium, lantanum en zirconium atomen, plus zuurstof — waarmee de huidige studie werkte. Hoewel eerdere studies metalen zilver gebruikten om batterijprestaties te verbeteren, gebruikte de nieuwe studie een opgeloste vorm van zilver die een elektron heeft verloren (Ag+). Deze geladen, opgeloste zilver — in tegenstelling tot metalen, vast zilver — is direct verantwoordelijk voor het verharden van de keramiek tegen scheurvorming.

De onderzoekers brachten een 3-nanometer dikke laag zilver aan op LLZO-oppervlakken, en verhitten de monsters tot 300 °C (572 °F). Tijdens verwarmen diffuseerden de zilveratomen in het oppervlak van de elektrolyt, ruilten plaats met veel kleinere lithiumatomen tot een diepte van 20 tot 50 nanometer. De zilver bleef als positief geladen ionen bestaan in plaats van metalen zilver, wat de wetenschappers denken de sleutel is tot het voorkomen van scheurvorming. Waar imperfecties bestaan, voorkomt de aanwezigheid van enkele positieve zilverionen ook dat lithium indringt en destructieve takken binnen de elektrolyt laat groeien.

"Onze studie toont aan dat nanoschaalse zilver-doping fundamenteel kan veranderen hoe scheuren initieren en voortplanten aan het elektrolytoppervlak, wat leidt tot duurzame, faalbestendige vaste elektrolyten voor next-generation energieloplossingen," zei toenmalig Research Lead Xin Xu, nu Assistant Professor Engineering aan Arizona State University.

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

Tech Briefs: Wat was de grootste technische uitdaging tijdens het aannealen van de coating?

Xu: Voordat ik antwoord, wil ik duidelijk maken dat we zeker niet de eerste groep zijn die aan zilver denkt. Zilvercoatings worden al enkele jaren gebruikt in vastestofbatterijen, meestal als tusselaag tussen lithiummetaal en een vaste elektrolyt. Natuurlijk werken ze goed. Maar we benaderden het met een iets ander idee. We begonnen te denken over zilver als een magisch element. Het is groot en hoog polariseerbaar.

Dit betekent dat de zilverarmen zo flexibel zijn dat ze materialen in plekken kunnen knijpen waar kleine ionen niet kunnen komen. Onze hypothese is heel simpel: Als zilver in de elektrolyt kon diffunderen of knijpen, zou het compressieve spanning kunnen genereren en het materiaal daadwerkelijk verfijnen. Dit maakt het materiaal weerstandsfähiger tegen scheuring.

Toen we dit idee net hadden, dachten we: 'Hoe moeilijk kan het zijn? Gewoon zilver erop zetten.' Het bleek zo, zo moeilijk. De grootste technische uitdaging was: Vaste elektrolyten zijn extreem gevoelig voor lucht. Vocht reageert met CO2, en dit vormt ook een contaminatielaag op het oppervlak. Zelfs in het lab gebeurt dit zo gemakkelijk. Eenmaal deze contaminatie op het elektrolytoppervlak ontstaat, kan zilver niet doen wat we willen.

We realiseerden ons uiteindelijk dat de oppervlakteschonheid gewoon alles was. Dus als we een ultra-schoon oppervlak creëren, kan zilver in het elektrolytmateriaal diffunderen en de compressieve spanning genereren waar we naar op zoek waren. Vanaf dan werden we geobsedeerd door labomgevingscontrole. We begonnen bij monsterbereiding, van coatingkarakterisering tot testen. Elke stap werd in strak gecontroleerde, luchtvrije omstandigheden uitgevoerd. We ontwierpen zelfs een uniek, aangepast, luchtvrij transportvat specifiek voor dit project. We verkopen dit zelfs op Amazon. Eenmaal we dat deden, waren de resultaten heel duidelijk. Erg opwindend.

Tech Briefs: Heb je plannen voor toekomstig werk?

Xu: We hebben verschillende dingen in gedachten voor de volgende stappen. Ten eerste, en dit is misschien mijn favoriete deel, we willen andere elementen proberen. Deze resultaten suggereren dat ionische grootte een sleutelfactor is. Als dat klopt, is zilver niet bijzonder omdat het zilver is; het is bijzonder omdat het groot is. Dit betekent dat goedkopere maar grote elementen ook kunnen werken. Bijvoorbeeld natrium, kalium of koper. In feite hebben we al veelbelovende resultaten met koper.