Sveučilište Stanford riješilo je problem krhkosti elektrolita u tehnologiji baterija s krutim elektrolitom. Tim je otkrio da nanošenje i zagrijavanje ultratankog srebrnog premaza na kruti elektrolit može spriječiti mikroskopsko pucanje koje obično dovodi do kvara baterije.
Srebrni premaz peterostruko povećava otpornost elektrolita na lomove i sprječava prodiranje litija u površinske pukotine. Ova je zaštita ključna tijekom brzog punjenja, jer sprječava širenje sitnih napuklina u destruktivne procjepe koji bi inače oštetili bateriju.
“To pokazuje da ultratanki površinski premazi mogu učiniti elektrolit manje krhkim i stabilnijim pod ekstremnim elektrokemijskim i mehaničkim uvjetima, poput brzog punjenja i pritiska”, izjavio je Xin Xu, koji je vodio istraživanje kao postdoktorand na Stanfordu.
Profesorica Wendy Gu objašnjava da keramički elektroliti koji se koriste u krutim baterijama omogućuju učinkovito kretanje litija, ali su inherentno krhki. Baš poput kućanskih keramičkih tanjura, ovi materijali sadrže mikroskopske površinske pukotine zbog kojih su skloni lomu pod pritiskom.
“Stvarna baterija s krutim elektrolitom sastoji se od naslaganih slojeva katode-elektrolita-anode. Proizvodnja ovih slojeva bez i najmanje nesavršenosti bila bi gotovo nemoguća i vrlo skupa”, rekla je Gu, izvanredna profesorica strojarstva.
“Zaključili smo da je zaštitna površina možda realističnije rješenje, a čini se da samo malo srebra obavlja prilično dobar posao”, dodala je viša autorica studije.
Prethodne studije koristile su metalno srebro za poboljšanje performansi baterije, ali ova studija identificira otopljene ione srebra kao ključ strukturne izdržljivosti. Kroz to su istraživači uspjeli izravno očvrsnuti LLZO keramički elektrolit, specifično ciljajući i neutralizirajući mehanizme koji uzrokuju formiranje pukotina.
Štit na molekularnoj razini
Tim je nanio srebrni film debljine 3 nanometra na LLZO površine prije žarenja uzoraka na 300°C (572°F). To je potaknulo izmjenu u kojoj su ioni srebra difundirali u elektrolit, zamjenjujući manje atome litija.
Proces, koji doseže dubine od 20 do 50 nanometara, stvara strukturnu barijeru pozitivno nabijenih iona koja očvršćuje materijal. Ti ioni srebra djeluju kao štit na molekularnoj razini, sprječavajući litij da se uglavi u površinske nesavršenosti i stvori destruktivne „grane” koji obično uzrokuju kvar baterije.
“Naša studija pokazuje da dopiranje srebrom na nanoskali može iz temelja promijeniti način na koji pukotine nastaju i šire se na površini elektrolita, proizvodeći izdržljive krute elektrolite otporne na kvarove za sljedeću generaciju tehnologija skladištenja energije”, rekao je Xu.
Koristeći specijaliziranu sondu i skenirajući elektronski mikroskop, istraživači su testirali izdržljivost materijala mjerenjem njegove točke loma pod fizičkim stresom.
Rezultati su bili značajni: elektrolit tretiran srebrom pokazao se gotovo pet puta otpornijim na pucanje od netretirane verzije, pokazujući znatan porast mehaničke čvrstoće.
Tim sada prelazi s malih uzoraka na pune baterijske ćelije. Cilj je ispitati može li ovaj srebrni štit izdržati tisuće ciklusa punjenja potrebnih da automobil traje desetljeće.
Studija je objavljena u časopisu Nature Materials 16. siječnja.
