Тонкий стекловидный слой может стать ключом к более долговечным и экономически выгодным твердотельным батареям.
В повседневной жизни мы используем множество защитных барьеров: солнцезащитный крем защищает нас от солнца, зонты — от дождя, а кухонные прихватки — от горячих кастрюль. Аналогично батареи нуждаются в защите, чтобы предотвратить разрушение их внутренних компонентов из-за воздействия окружающей среды.
Внутри батареи электролит — это химическая среда, которая позволяет электрическому заряду проходить между её компонентами. В твердотельных батареях (SSB) используются твёрдые электролиты вместо жидких, которые применяются в обычных литий-ионных батареях. Благодаря использованию твёрдых электролитов SSB могут произвести революцию в индустрии хранения энергии, предлагая более высокую плотность энергии, безопасность и срок службы, чем литий-ионные батареи.
Однако серьёзной проблемой для SSB является то, что твёрдые электролиты могут разрушаться при воздействии атмосферных условий, таких как влажность и кислород. Эта проблема особенно актуальна для высокоэффективных твёрдых электролитов на основе сульфидов, таких как литий-фосфор-сера-хлорида (LPSCl). Производство SSB с использованием этих материалов требует поддержания сухого помещения при температуре ниже -40 °C, что делает производство дорогостоящим.
Для повышения химической стабильности и снижения стоимости производства исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) разработали метод покрытия твёрдых электролитов на основе сульфидов. Они используют процесс, называемый атомно-слоевым осаждением (ALD), для нанесения защитного слоя.
Это покрытие улучшает химическую стабильность электролита не только за счёт физического щита, но и за счёт модификации электронной структуры поверхности, в результате чего материалы становятся более устойчивыми к влаге и кислороду. Результаты этого исследования опубликованы в ACS Materials Letters.
«Наше исследование показывает, что даже очень тонкое покрытие — толщиной всего несколько нанометров, или примерно в 100 000 раз тоньше человеческого волоса — может действовать как прочный барьер, сохраняя электролит в неприкосновенности и повышая его производительность», — сказал учёный-материаловед Аргоннской лаборатории Джастин Коннелл. «Этот прорыв не только может продлить срок службы батареи, но и снизить производственные затраты, позволяя производить продукцию в менее контролируемых условиях».
Процесс ALD, обычно используемый при изготовлении компьютерных чипов, наносит слой оксида алюминия на частицы электролита. Оксид алюминия похож на стекло и обладает многими из его свойств.
«Мы покрыли порошок твёрдого электролита ультратонким стекловидным слоем, который предотвращает его взаимодействие с атмосферой», — сказал Джеффри Элам, старший химик и заслуженный сотрудник Аргоннской лаборатории. «Этот материал может быть настолько тонким, что его толщина меньше одного атомного слоя, то есть тоньше диаметра одного атома. Сначала этот результат нас озадачил, но компьютерное моделирование помогло найти объяснение».
Питер Заполь, учёный-компьютерщик, объяснил: «Мы изначально думали, что покрытие — это просто физический барьер, но мы узнали гораздо больше об электронных свойствах поверхности электролита. Покрытие ALD изменяет электронную структуру поверхности электролита, что помогает подавлять деградацию и поддерживать литий-ионную проводимость. Эта двойная роль — действовать как физический щит и модификатор электронной структуры — делает покрытие особенно эффективным».
Защитный слой не только сохраняет стабильность электролита, но и обеспечивает эффективное движение ионов лития, что необходимо для работы батареи.
В тестах с высокой влажностью и кислородом, сравнимых с атмосферными условиями, покрытые электролиты работали намного лучше, чем непокрытые. Покрытые материалы оставались стабильными с небольшим ухудшением характеристик, в то время как непокрытые показали значительное разрушение и реактивность с атмосферой.
Способность работать с этими материалами в менее контролируемых условиях — ключевое преимущество этого покрытия. Учёный-материаловед Закари Худ отметил, что обращение с этими материалами в более жёстких условиях упростит производственный процесс.
«Это позволило бы производителям использовать существующую инфраструктуру, аналогичную той, что используется для литий-ионных батарей», — сказал он. «Это привело бы к значительной экономии первоначальных затрат на заводы, необходимые для производства батарей из этих материалов, а также к повышению надёжности, поскольку меньше беспокойства о деградации материалов во время сборки».
Команда также работает над масштабированием этого метода. В настоящее время они сотрудничают с коммерческим партнёром для производства большего количества покрытых электролитов для демонстрации в батареях большего формата.
Хотя команда добилась успеха с текущим покрытием из оксида алюминия, они признают, что это лишь один из многих возможных составов покрытий. Есть много других вариантов для изучения, и будущие исследования будут сосредоточены на них.
Другие участники этой работы включают Таэу Кима, Адитью Сундар, Анила Мане, Франсиско Лагунас, Хорди Кабана и Санью Тепавчевич из Аргоннской лаборатории; Хагеша Кумара, который связан как с Аргоннской лабораторией, так и с Чикагским университетом Иллинойса; и Нилам Сунаривал из Чикагского университета Иллинойса.
Предоставлено Аргоннской национальной лабораторией.