Металеві літієві батареї з твердими електролітами є багатообіцяючою технологією завдяки своїй легкості, негорючій природі, високій щільності енергії та здатності швидко заряджатися. Однак їх розвитку заважає проблема короткого замикання та відмови. Вчені зі Стенфордського університету та Національної прискорювальної лабораторії SLAC стверджують, що розгадали цю таємницю.
Нові металеві літієві батареї з твердими електролітами легкі, легкозаймисті, містять багато енергії та можуть дуже швидко заряджатися, але вони повільно розвиваються через таємниче коротке замикання та несправність. Тепер дослідники в Стенфордський університет і Національна лабораторія прискорень SLAC сказати, що вони розгадали таємницю.
Це зводиться до напруги – точніше механічної напруги – особливо під час потужної перезарядки.
«Лише невелике поглиблення, згинання або скручування батарейок може спричинити відкриття наноскопічних тріщин у матеріалах і проникнення літію в твердий електроліт, викликаючи його коротке замикання», — пояснив старший автор Вільям Чуе, доцент кафедри матеріалознавства та інженерії в інженерної школи та енергетичних наук та інженерії в новій Стенфордській школі сталого розвитку Доерра.
«Навіть пил або інші домішки, які потрапляють під час виробництва, можуть створити достатній стрес, щоб спричинити поломку», — сказав Чуе, який керував дослідженням разом з Венді Гу, доцентом кафедри машинобудування.
На зображенні цього художника показано, як один зонд згинається від прикладеного тиску, викликаючи тріщину в твердому електроліті, який наповнюється літієм. Праворуч зонд не тисне на електроліт і літієві пластини на керамічній поверхні, як бажано. Авторство: Cube3D
Проблема несправності твердих електролітів не нова, і багато хто вивчав це явище. Існує безліч теорій щодо того, що саме є причиною. Деякі кажуть, що виною тому ненавмисний потік електронів, а інші вказують на хімію. Проте інші припускають, що діють різні сили.
У дослідженні, опублікованому сьогодні (30 січня) у журн Енергія природи, співавтори Джефф МакКонохі, Сінь Сюй і Тенг Цуй пояснюють у ретельних, статистично значущих експериментах, як нанорозмірні дефекти та механічні навантаження спричиняють руйнування твердих електролітів. Вчені з усього світу, які намагаються розробити нові акумуляторні батареї з твердим електролітом, можуть обійти цю проблему або навіть перетворити відкриття на свою користь, оскільки більшість із цієї Стенфордської групи зараз досліджує. Енергоємні, швидко заряджаючі, негорючі літієво-металеві батареї, які служать довго, можуть подолати основні перешкоди для широкого використання електромобілів, серед багатьох інших переваг.
Статистична значущість
Багато сучасних твердих електролітів є керамічними. Вони забезпечують швидкий транспорт іонів літію та фізично розділяють два електроди, які накопичують енергію. Головне, вони пожежобезпечні. Але, як і на кераміці в наших домівках, на поверхні можуть утворюватися дрібні тріщини.
Дослідники продемонстрували за допомогою більш ніж 60 експериментів, що кераміка часто просякнута наноскопічними тріщинами, вм’ятинами та тріщинами, багато з яких мають ширину менше 20 нанометрів. (Аркуш паперу має товщину приблизно 100,000 XNUMX нанометрів.) Під час швидкого заряджання, кажуть Чуе та команда, ці властиві тріщини відкриваються, дозволяючи літію проникати.
Відео скануючої електронної мікроскопії, яке демонструє літієве покриття, яке відбувається на твердому електроліті. Авторство: Сінь Сю, Джефф МакКонохі та Венфан Ши
У кожному експерименті дослідники застосовували електричний зонд до твердого електроліту, створюючи мініатюрну батарею, і використовували електронний мікроскоп для спостереження за швидкою зарядкою в реальному часі. Згодом вони використовували іонний промінь як скальпель, щоб зрозуміти, чому літій збирається на поверхні кераміки в деяких місцях, як це потрібно, тоді як в інших місцях він починає заглиблюватися все глибше і глибше, поки літій не перекриє твердий електроліт. , створюючи коротке замикання.
Різниця - тиск. Коли електричний зонд просто торкається поверхні електроліту, літій чудово збирається на електроліті, навіть якщо акумулятор заряджається менш ніж за одну хвилину. Однак, коли зонд вдавлюється в керамічний електроліт, імітуючи механічні напруги вдавлення, згинання та скручування, імовірніше коротке замикання акумулятора.
Теорія в практику
Справжня твердотільна батарея складається з шарів катод-електроліт-анод, складених одна на одну. Роль електроліту полягає в тому, щоб фізично відокремити катод від анода, але дозволити іонам літію вільно переміщатися між ними. Якщо катод і анод торкаються або будь-яким чином з’єднані електрично, наприклад, за допомогою тунелю з металевого літію, виникає коротке замикання.
Як показали Чуе та його команда, навіть ледь помітний вигин, легкий поворот або порошинка, яка потрапить між електролітом і літієвим анодом, спричинять непомітні щілини.
«Отримавши можливість проникнути в електроліт, літій зрештою пролізе крізь нього, з’єднавши катод і анод», — сказав МакКонохі, який отримав докторський ступінь минулого року, працюючи в лабораторії Чуе, і зараз працює в промисловості. «Коли це трапляється, акумулятор виходить з ладу».
Співавтори нового дослідження (ліворуч): Сінь Юй, Тенг Цуй і Джефф МакКонохі сидять перед сфокусованим іонним пучком/скануючим електронним мікроскопом, який використовується для цього дослідження. Авторство: Xin Xu
За словами дослідників, нове розуміння було продемонстровано неодноразово. Вони записали відео процесу за допомогою скануючих електронних мікроскопів – тих самих мікроскопів, які не змогли побачити зароджуються тріщини в чистому неперевіреному електроліті.
Це трохи схоже на те, як вибоїна виглядає на ідеальному тротуарі, – пояснив Сю. Під час дощу та снігу автомобільні шини вливають воду в крихітні, вже існуючі недоліки на тротуарі, утворюючи дедалі ширші тріщини, які з часом ростуть.
«Літій насправді є м’яким матеріалом, але, як і вода в аналогії з вибоїнами, все, що потрібно, це тиск, щоб збільшити щілину та спричинити збій», — сказав Сюй, науковий співробітник лабораторії Чуе.
Маючи в руках нове розуміння, команда Chueh шукає способи цілеспрямованого використання тих самих механічних сил, щоб зробити матеріал під час виробництва, подібно до того, як коваль відпалює лезо під час виробництва. Вони також шукають способи покриття поверхні електроліту, щоб запобігти тріщинам або відремонтувати їх, якщо вони з’являться.
«Всі ці вдосконалення починаються з одного питання: Чому?», — сказав Цуй, докторант у лабораторії Гу. «Ми інженери. Найголовніше, що ми можемо зробити, це з'ясувати, чому щось відбувається. Коли ми це дізнаємося, ми зможемо покращити ситуацію».
Довідка: «Механічне регулювання ймовірності проникнення літію в гранатові тверді електроліти» 30 січня 2023 р. Енергія природи.
DOI: 10.1038/s41560-022-01186-4
Чуе також є старшим науковим співробітником Precourt Institute for Energy у Стенфорді та науковим співробітником SLAC. Співавторами дослідження, не згаданого вище, є аспіранти Стенфордського університету Едвард Баркс, Санні Ван і Емма Каелі, а також докторант Селесте Меламед.
Фінансування: Samsung Advanced Institute of Technology, Vehicle Technologies Office, Stanford StorageX Initiative
