Nieuwe beschermende coating verbetert de veiligheid en energiedichtheid van lithium-metaalbatterijen

Stanford Universiteit, CA

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 vast, in plaats van vloeibaar, 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 lithium-ionbatterijen 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 lithiumionen gemakkelijk heen en weer kunnen bewegen, maar het is broos”, zegt Wendy Gu, universitair hoofddocent Werktuigbouwkunde en senior auteur van de studie. “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, direct verantwoordelijk voor het uitharden van de 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.

"Deze methode kan worden uitgebreid naar een brede klasse keramiek. Het toont aan dat ultradunne oppervlaktecoatings de elektrolyt minder bros en stabieler kunnen maken onder extreme elektrochemische en mechanische omstandigheden, zoals snel opladen en druk", zegt 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, dat deel uitmaakt van de Stanford Doerr School of Sustainability.

Met behulp van een gespecialiseerde sonde in een scanning-elektronenmicroscoop maten de onderzoekers de kracht die nodig was om het oppervlak te breken. Het met zilver behandelde, vaste elektrolyt had bijna vijf keer meer druk nodig om te barsten, vergeleken met het onbehandelde materiaal. Tot nu toe werkten de experimenten met kleine proefmonsters in plaats van met complete batterijen. De onderzoekers passen de op zilver gebaseerde oppervlaktebehandeling nu toe op volledige lithium-metaalbatterijen om te zien hoe goed de coating presteert onder reële omstandigheden, zoals herhaaldelijk snel opladen en langdurig gebruik.

Daarnaast onderzoekt het team verschillende strategieën voor het gebruik van mechanische druk onder verschillende hoeken, waardoor de levensduur van de batterij kan worden verlengd. Ze bestuderen ook methoden om falen te voorkomen in andere soorten vaste elektrolyten, zoals die op basis van zwavel, die mogelijk extra voordelen hebben, zoals verbeterde chemische stabiliteit met lithium. De toepassing van deze bevindingen op opkomende, op natrium gebaseerde batterijen is een intrigerende mogelijkheid, die de beperkingen van de toeleveringsketen voor op lithium gebaseerde batterijen kan helpen verlichten.

Zilver is niet de enige optie, aldus de onderzoekers. Vroege tests met andere, goedkopere metalen – koper bijvoorbeeld – hebben bemoedigende resultaten opgeleverd. Samen suggereren deze bevindingen een nieuwe en flexibele aanpak voor het versterken van de kwetsbare materialen die cruciaal kunnen zijn voor de volgende generatie batterijen.

Neem voor meer informatie contact op met Wendy Gu op Dit e-mailadres wordt beschermd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien..