Исследователи из Стэнфордского университета, возможно, нашли решение одной из главных проблем на пути к созданию коммерческих твердотельных батарей. Эти аккумуляторы, в которых вместо жидкого электролита используется твердый, обещают быть безопаснее, емче и заряжаться быстрее современных литий-ионных. Однако хрупкие керамические электролиты склонны к образованию микротрещин в процессе зарядки, что в итоге приводит к выходу батареи из строя. Новый метод предполагает нанесение на поверхность электролита ультратонкого защитного слоя из серебра.
Как сообщается в журнале Nature Materials, ученые обнаружили, что термообработка нанометрового слоя серебра на поверхности твердого электролита значительно повышает его прочность. Обработанный материал стал в пять раз более устойчивым к растрескиванию под механическим давлением. Кроме того, слой снижает риск проникновения атомов лития в уже существующие поверхностные дефекты — процесс, особенно опасный при быстрой зарядке.
«Твердые электролиты, над которыми мы работаем, — это своего рода керамика. Она хорошо проводит ионы лития, но очень хрупка», — пояснила старший автор исследования Венди Гу. Она провела аналогию с бытовой керамикой, на которой всегда есть микротрещины, отметив, что устранить все производственные дефекты в многослойной батарее практически невозможно и крайне дорого. «Мы решили, что защитное покрытие может быть более реалистичным решением, и небольшое количество серебра, кажется, справляется с этой задачей», — добавила Гу.
Инновация стэнфордской команды заключается в использовании не металлического серебра, а его ионной формы (Ag+). Это положительно заряженные ионы серебра, которые ведут себя иначе. В процессе нанесения слой толщиной всего 3 нанометра нагревают до 300 градусов Цельсия, в результате чего атомы серебра проникают в поверхность электролита и замещают более мелкие атомы лития в его кристаллической структуре. Именно ионная форма серебра, по мнению исследователей, является ключом к предотвращению трещин.
Лабораторные испытания подтвердили повышенную долговечность материала. Однако эксперименты пока проводились лишь на небольших, локализованных участках, а не на полноценных аккумуляторных элементах. Остаются серьезные вопросы о том, можно ли масштабировать этот метод, интегрировать его с другими компонентами батареи и сохранить работоспособность в течение тысяч циклов зарядки в реальном устройстве. Основные производственные вызовы включают обеспечение равномерного и воспроизводимого нанесения ультратонкого слоя серебра на большие площади электродов, высокую стоимость серебра как сырья, а также необходимость интеграции процесса в существующие высокоскоростные производственные линии без значительного увеличения времени цикла.
Сейчас исследовательская группа перешла к тестированию полных твердотельных батарей с литиевым анодом. Они также изучают, как механическое давление может продлить срок службы, и исследуют другие материалы для электролитов, включая серные. Ученые видят потенциал этого подхода и для натриевых батарей, что могло бы снизить зависимость от лития. Хотя натриевые батареи обычно имеют на 20-30% меньшую удельную энергию, чем литиевые, они считаются более безопасными из-за меньшей склонности к возгоранию. Серебряное покрытие может улучшить их производительность за счет увеличения электропроводности электродов и стабилизации поверхности, что особенно важно для натриевых систем, где материалы часто менее проводящие. Предварительные тесты показывают, что другие металлы с крупными ионами, например медь, также могут оказаться эффективными.
Источник: Silver just solved a major solid-state battery problem