Revolutionierung der Energiespeicherung:Festelektrolyt-Lithiumbatterien bieten Sicherheit, Kapazität und Geschwindigkeit

Andrew Corselli

Künstlerische Darstellung einer atomar dünnen Schicht aus Silber und einigen Silberatomen unter der Oberfläche, die die kristalline Struktur eines Festelektrolyten vor mechanischem Druck schützt. (Bild:Chaoyang Zhao)

Ein fester statt flüssiger Elektrolyt zwischen den gegenüberliegenden Elektroden einer Batterie sollte theoretisch eine wiederaufladbare Lithium-Metall-Batterie ermöglichen, die sicherer ist, viel mehr Energie speichert und erheblich schneller lädt als die heute im Handel erhältlichen Li-Ionen-Batterien. Seit Jahrzehnten haben Wissenschaftler und Ingenieure verschiedene Wege erkundet, um das große Versprechen von Lithium-Metall-Batterien zu verwirklichen. Ein Hauptproblem bei den untersuchten festen, kristallinen Elektrolyten war die Bildung mikroskopischer Risse, die während des Gebrauchs bis zum Ausfall der Batterie wachsen.

Stanford-Forscher haben auf der Grundlage von vor drei Jahren veröffentlichten Erkenntnissen, die identifizierten, wie sich diese winzigen Unvollkommenheiten bilden und ausdehnen, herausgefunden, dass das Glühen einer extrem dünnen Silberschicht auf der Oberfläche des Festelektrolyten das Problem weitgehend zu lösen scheint. Wie in Nature Materials berichtet Diese Beschichtung härtet die Oberfläche des Elektrolyten um das Fünffache gegen Bruch durch mechanischen Druck aus. Dadurch werden vorhandene Mängel auch viel weniger anfällig für das Eindringen von Lithium in das Innere, insbesondere beim schnellen Aufladen, wodurch Nanorisse in Nanospalten umgewandelt werden und die Batterie schließlich unbrauchbar wird.

„Der Festelektrolyt, an dessen Verbesserung wir und andere arbeiten, ist eine Art Keramik, die es den Li-Ionen ermöglicht, leicht hin und her zu pendeln, aber sie ist spröde“, sagte die leitende Autorin Wendy Gu, außerordentliche Professorin für Maschinenbau. „In einem unglaublich kleinen Maßstab ist es den Keramiktellern oder -schalen, die man zu Hause hat, nicht unähnlich, deren Oberfläche winzige Risse aufweist.“

„Eine reale Festkörperbatterie besteht aus Schichten gestapelter Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Blätter. Diese ohne die kleinsten Unvollkommenheiten herzustellen wäre nahezu unmöglich und sehr teuer“, sagte Gu. „Wir haben entschieden, dass eine schützende Oberfläche realistischer sein könnte, und nur ein wenig Silber scheint ziemlich gute Wirkung zu erzielen.“

Frühere Forschungen anderer Wissenschaftler untersuchten die Verwendung von metallischen Ag-Beschichtungen auf demselben Festelektrolytmaterial – bekannt als „LLZO“ wegen seiner Mischung aus Lithium-, Lanthan- und Zirkoniumatomen sowie Sauerstoff – mit dem die aktuelle Studie arbeitete. Während in früheren Studien metallisches Silber zur Verbesserung der Batterieleistung verwendet wurde, wurde in der neuen Studie eine gelöste Form von Silber verwendet, die ein Elektron verloren hat (Ag+). Dieses gelöste, geladene Silber ist – anders als metallisches, festes Silber – direkt dafür verantwortlich, die Keramik gegen Rissbildung zu härten.

Die Forscher lagerten eine 3 Nanometer dicke Silberschicht auf LLZO-Oberflächen ab und erhitzten die Proben dann auf 300 °C (572 °F). Beim Erhitzen diffundierten die Silberatome in die Oberfläche des Elektrolyten und tauschten dort mit viel kleineren Lithiumatomen bis zu einer Tiefe von 20 bis 50 Nanometern ihre Plätze aus. Das Silber blieb als positiv geladene Ionen und nicht als metallisches Silber zurück, was nach Ansicht der Wissenschaftler der Schlüssel zur Verhinderung der Rissbildung ist. Wo Unvollkommenheiten vorhanden sind, verhindert das Vorhandensein einiger positiver Silberionen auch, dass Lithium in den Elektrolyten eindringt und zerstörerische Verzweigungen bildet.

„Unsere Studie zeigt, dass eine nanoskalige Silberdotierung die Art und Weise, wie Risse an der Elektrolytoberfläche entstehen und sich ausbreiten, grundlegend verändern kann, wodurch langlebige, ausfallsichere Festelektrolyte für Energiespeichertechnologien der nächsten Generation entstehen“, sagte der damalige Forschungsleiter Xin Xu, heute Assistenzprofessor für Ingenieurwissenschaften an der Arizona State University.

Hier ist ein exklusiver Tech Briefs Interview, aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet, mit Xu.

Technische Kurzinformationen :Was war für Sie die größte technische Herausforderung beim Glühen der Beschichtung?

Xu :Bevor ich antworte, möchte ich klarstellen, dass wir definitiv nicht die erste Gruppe sind, die über Silber nachdenkt. Silberbeschichtungen werden seit einigen Jahren in Festkörperbatterien verwendet, meist als Zwischenschicht zwischen Lithiummetall und einem Festelektrolyten. Offensichtlich funktionieren sie gut. Aber wir kamen mit einer etwas anderen Idee darauf. Wir begannen, Silber als ein magisches Element zu betrachten. Es ist groß und hochgradig polarisierbar.

Das bedeutet, dass die Silberarme so flexibel sind, dass sie Materialien an Stellen pressen können, wo kleine Ionen nicht hinkommen. Unsere Hypothese hier ist sehr einfach:Wenn Silber den Elektrolyten in die Zelle diffundieren oder quetschen könnte, könnte es Druckspannungen erzeugen und das Material tatsächlich zäher machen. Dadurch wird das Material widerstandsfähiger gegen Risse.

Als wir diese Idee zum ersten Mal hatten, dachten wir:„Wie schwer kann es sein?“ Legen Sie einfach Silber hinein.‘ Es stellte sich als sehr schwierig heraus. Die größte technische Herausforderung war:Festelektrolyte sind äußerst empfindlich gegenüber Luft. Feuchtigkeit reagiert mit CO2 und es bildet sich ebenfalls eine Schmutzschicht auf der Oberfläche. Selbst im Labor passiert das so leicht. Sobald sich diese Verunreinigung auf der Oberfläche des Elektrolyten bildet, kann Silber einfach nicht mehr das tun, was wir von ihm erwarten.

Irgendwann wurde uns klar, dass es auf die Sauberkeit der Oberfläche ankommt. Wenn wir also eine ultrareine Oberfläche schaffen, könnte sich das Silber in das Material des Elektrolyten entmischen und die angestrebte Druckspannung erzeugen. Von da an waren wir sehr besessen von der Kontrolle der Laborumgebung. Wir begannen mit der Probenvorbereitung, von der Beschichtungscharakterisierung bis zum Testen. Jeder Schritt wurde unter streng kontrollierten, luftfreien Bedingungen durchgeführt. Für dieses Projekt haben wir sogar ein einzigartiges, maßgeschneidertes, luftfreies Transferschiff entworfen. Wir verkaufen es sogar auf Amazon. Nachdem wir das getan hatten, waren die Ergebnisse sehr klar. Sehr spannend.

Technische Kurzinformationen :Haben Sie Pläne für die zukünftige Arbeit?

Xu :Für die nächsten Schritte haben wir einiges im Kopf. Erstens, und ich denke, das ist wahrscheinlich mein Lieblingsteil, wollen wir andere Elemente ausprobieren. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Ionengröße ein Schlüsselfaktor ist. Wenn das stimmt, ist das Silber nichts Besonderes, weil es Silber ist; Es ist etwas Besonderes, weil es groß ist. Das bedeutet, dass auch günstigere, aber große Elemente funktionieren könnten. Zum Beispiel Natrium, Kalium oder Kupfer. Tatsächlich haben wir mit Kupfer bereits einige sehr vielversprechende Ergebnisse erzielt.