Nieuwe beschermende coating verbetert veiligheid en energiedichtheid van lithiummetaalbatterijen

Stanford University, CA

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

Een vaste elektrolyt in plaats van een vloeibare tussen de elektroden van een batterij zou theoretisch een herlaadbare lithiummetaalbatterij mogelijk maken die veiliger is, veel meer energie opslaat en aanzienlijk sneller laadt dan de commercieel beschikbare lithium-ionbatterijen van vandaag. Decennialang hebben wetenschappers en ingenieurs verschillende paden verkend om de grote belofte van lithiummetaalbatterijen te verwezenlijken. Een groot probleem met de bestudeerde vaste, kristallijne elektrolyten is de vorming van microscopische kraken die tijdens het gebruik groeien totdat de batterij faalt.

Onderzoekers van Stanford, die voortbouwen op bevindingen die ze drie jaar geleden publiceerden over hoe deze kleine imperfecties ontstaan en zich uitbreiden, ontdekten dat aanlassen van een extreem dunne zilvercoating op het oppervlak van de vaste elektrolyt het probleem grotendeels oplost. Zoals gerapporteerd in Nature Materials, maakt deze coating het oppervlak van de elektrolyt vijf keer zwaarder tegen breukvorming door mechanische druk. Het maakt ook bestaande imperfecties veel minder kwetsbaar voor lithium dat erin opduikt, vooral tijdens snel opladen, waardoor nano-kraken zich omvormen tot nano-kleften en de batterij uiteindelijk onbruikbaar maken.

"De vaste elektrolyt waar we en anderen aan werken om te verbeteren, is een soort keramiek die lithium-ionen gemakkelijk heen en weer laat shuttelen, maar die bros is", aldus Wendy Gu, hoogleraar mechanische ingenieurswetenschap en senior auteur van de studie. "Op een ongelooflijk kleine schaal lijkt het op de keramische borden of kommen die je thuis hebt, met kleine kraken op hun oppervlak."

"Een echte vaste-stofbatterij bestaat uit gelaagde kathode-elektrolyt-anode vellen. Het produceren van deze zonder zelfs de kleinste imperfecties is bijna onmogelijk en zeer duur", zei Gu. "We besloten dat een beschermend oppervlak realistischer is, en net een beetje zilver lijkt een prima werkje te doen."

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

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

"Deze methode kan worden uitgebreid tot een brede klasse keramieken. Het toont aan dat ultradunne oppervlaktecoatings de elektrolyt minder bros en stabieler maken onder extreme electrochemische en mechanische condities, zoals snel laden en druk", zei Xin Xu, die bij Stanford werkte in het laboratorium van professor William Chueh, een senior auteur van de studie en directeur van het Precourt Institute for Energy, onderdeel van de Stanford Doerr School of Sustainability.

Met een gespecialiseerde meetnaald in een elektronenmicroscoop maatten de onderzoekers de kracht die nodig was om het oppervlak te breken. De met zilver behandelde vaste elektrolyt vereiste bijna vijf keer zoveel druk om te kraken, vergeleken met het onbehandelde materiaal. Tot nu toe werkten de experimenten met kleine testmonsters in plaats van complete batterijen. De onderzoekers passen de op zilver gebaseerde oppervlaktebehandeling nu toe op volledige lithiummetaalbatterijen om te zien hoe goed de coating presteert onder realistische condities, zoals herhaald snel laden en langdurig gebruik.

Daarnaast onderzoekt het team verschillende strategieën voor het gebruik van mechanische druk onder verschillende hoeken die de levensduur van de batterij kunnen verlengen. Ze bestuderen ook methoden om falen in andere typen vaste elektrolyten te voorkomen, zoals die gebaseerd op zwavel, die toegevoegde voordelen kunnen hebben zoals verbeterde chemische stabiliteit met lithium. De toepassing van deze bevindingen op opkomende natriumbaseerde batterijen is een intrigerende mogelijkheid, die kan helpen de leveringsketenbeperkingen van lithium-gebaseerde batterijen te verlichten.

Zilver is niet de enige optie, zeiden de onderzoekers. Vroegere tests met andere, goedkopere metalen — zoals koper — hebben veelbelovende resultaten getoond. Samen suggereren deze bevindingen een nieuwe en flexibele benadering om de kwetsbare materialen te versterken die cruciaal kunnen zijn voor batterijen van de volgende generatie.

Voor meer informatie, neem contact op met Wendy Gu via dit e-mailadres (beschermd tegen spambots, JavaScript vereist).