Pevnolátkové baterie by mohly ukládat více energie a nabíjet se rychleji než dnešní baterie, ale mají tendenci praskat a časem selhávat. Výzkumníci ze Stanfordu zjistili, že nanometrová úprava stříbrem může výrazně posílit keramické jádro baterie. Stříbro pomáhá utěsnit drobné nedostatky a brání lithiu v dalším poškozování. Tento jednoduchý přístup by mohl pomoci odemknout baterie nové generace.
Použití pevného elektrolytu namísto kapalného uvnitř baterie by mohlo umožnit dobíjecí lithium-metalové baterie, které jsou bezpečnější, ukládají mnohem více energie a nabíjejí se mnohem rychleji než dnešní lithium-iontové baterie. Tato myšlenka přitahuje vědce a inženýry již desítky let. Pokrok však byl omezen kritickou slabinou. Pevné elektrolyty vyrobené z krystalických materiálů mají tendenci vytvářet mikroskopické trhliny. Časem tyto trhliny během opakovaného nabíjení rostou a nakonec způsobí selhání baterie.
Výzkumníci ze Stanfordu, navazující na práci, kterou publikovali před třemi lety a která odhalila, jak se drobné trhliny, promáčkliny a povrchové defekty tvoří a šíří, nyní identifikovali potenciální řešení. Zjistili, že tepelné zpracování extrémně tenké vrstvy stříbra na povrchu pevného elektrolytu může tomuto poškození do značné míry zabránit.
Jak bylo uvedeno v časopise Nature Materials, povrch ošetřený stříbrem se stal pětkrát odolnějším vůči praskání způsobenému mechanickým tlakem. Povlak také snížil riziko, že by se lithium vtlačilo do existujících povrchových vad. Tento typ vniknutí je obzvláště škodlivý při rychlém nabíjení, kdy se velmi malé trhliny mohou rozšířit do hlubších kanálů, které trvale degradují baterii.
Proč je tak těžké trhliny eliminovat
„Pevné elektrolyty, na kterých pracujeme my i ostatní, jsou druh keramiky, která umožňuje lithiovým iontům snadno přecházet tam a zpět, ale je křehká,“ řekla Wendy Gu, mimořádná profesorka strojního inženýrství a hlavní autorka studie. „V neuvěřitelně malém měřítku to není nepodobné keramickým talířům nebo miskám, které máte doma a které mají na povrchu drobné trhliny.“
Gu poznamenala, že eliminace každého defektu během výroby je nerealistická. „Skutečná pevnolátkové baterie je vyrobena z vrstev naskládaných listů katoda-elektrolyt-anoda. Vyrobit je bez sebemenších nedokonalostí by bylo téměř nemožné a velmi drahé,“ řekla. „Rozhodli jsme se, že ochranný povrch může být realističtější, a zdá se, že jen trochu stříbra odvádí docela dobrou práci.“
Výměna stříbra a lithia
Dřívější studie jiných výzkumných týmů zkoumaly kovové stříbrné povlaky aplikované na stejný materiál pevného elektrolytu použitý v nové studii. Tento materiál je známý jako „LLZO“ podle kombinace lithia, lanthanu, zirkonia a kyslíku. Zatímco tyto dřívější snahy se zaměřovaly na kovové stříbro, tým ze Stanfordu zvolil jiný přístup pomocí rozpuštěné formy stříbra, která ztratila elektron (Ag+).
Toto kladně nabité stříbro se chová velmi odlišně od pevného kovového stříbra. Podle výzkumníků jsou ionty Ag+ přímo odpovědné za posílení keramiky a snížení její tendence praskat.
Jak úprava stříbrem funguje
Tým aplikoval vrstvu stříbra o tloušťce pouhých 3 nanometrů na povrch vzorků LLZO a poté je zahřál na 300 stupňů Celsia. Jak se vzorky zahřívaly, atomy stříbra se přesunuly do povrchu elektrolytu a nahradily menší atomy lithia v porézní krystalické struktuře. Tento proces se rozšířil asi 20 až 50 nanometrů pod povrch.
Důležité je, že stříbro zůstalo ve své kladně nabité iontové formě, místo aby se změnilo na kovové stříbro. Výzkumníci věří, že to je klíčové pro prevenci trhlin. V oblastech, kde již existují drobné nedokonalosti, ionty stříbra také pomáhají blokovat lithiu vstup a tvorbu škodlivých vnitřních struktur.
„Naše studie ukazuje, že nanometrové dopování stříbrem může zásadně změnit způsob, jakým se trhliny iniciují a šíří na povrchu elektrolytu, čímž vznikají odolné, proti selhání odolné pevné elektrolyty pro technologie skladování energie nové generace,“ řekl Xin Xu, který vedl výzkum jako postdoktorandský stipendista na Stanfordu a nyní je mimořádným profesorem inženýrství na Arizonské státní univerzitě.
Aby výzkumníci změřili, o kolik silnější se ošetřený materiál stal, použili specializovanou sondu uvnitř rastrovacího elektronového mikroskopu k testování, kolik síly bylo potřeba k prasknutí povrchu elektrolytu. Materiál ošetřený stříbrem vyžadoval téměř pětkrát větší tlak k prasknutí než neošetřené vzorky.
Co přijde dál pro pevnolátkové baterie
Zatím se experimenty zaměřovaly na malé, lokalizované oblasti spíše než na kompletní bateriové články. Stále není jasné, zda tento přístup založený na stříbru může být rozšířen na větší baterie, integrován s dalšími komponenty a udržet si svůj výkon po tisících nabíjecích cyklech.
Tým nyní pracuje s kompletními lithium-metalovými pevnolátkovými bateriemi a zkoumá, jak by aplikace mechanického tlaku z různých úhlů mohla prodloužit životnost baterie. Studují také další typy pevných elektrolytů, včetně materiálů na bázi síry, které by mohly nabídnout lepší chemickou stabilitu při párování s lithiem.
Výzkumníci také vidí potenciální aplikace mimo lithium. Baterie na bázi sodíku by mohly těžit z podobných strategií a mohly by pomoci snížit tlak na dodavatelský řetězec spojený s poptávkou po lithiu.
Stříbro nemusí být jedinou životaschopnou možností. Výzkumníci uvedli, že by mohly fungovat i jiné kovy, pokud jsou jejich ionty větší než ionty lithia, které nahrazují ve struktuře elektrolytu. Měď v raných testech vykazovala určitý úspěch, ačkoli byla méně účinná než stříbro.
Zdroj: sciencedaily.com
Zdroj: eTEC.NEWS
