Nový postup pro stabilní a dlouhotrvající pevné baterie

S inovativním výrobním procesem pro baterii budoucnosti: Výzkumníci PSI ukazují v aktuální studii, jak lze pevné látkové baterie vyrábět nákladově efektivně, efektivně a s dlouhou životností. Obrázek ukazuje testovací buňku, ve které je vyráběna a testována pevná látková baterie vyvinutá v PSI. © Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic / Inovativní výrobní proces otevírá cestu k baterii budoucnosti: Ve své nejnovější studii výzkumníci PSI demonstrují nákladově efektivní a efektivní způsob výroby všech pevnolátkových baterií s dlouhou životností. Obrázek ukazuje testovací buňku používanou k výrobě a testování všech pevnolátkových baterií vyvinutých v PSI. © Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic

Odkazy: Porézní pevný elektrolyt, kterým mohou pronikat lithiumové dendrity (šedá) až na lithiumový povrch (stříbrná); rozhraní je chráněno pouze přirozenou hranicovou vrstvou (růžová). Vpravo: Pevný elektrolyt hustě sinterovaný v Ústavu Paula Scherera PSI s stabilizační vrstvou z lithnofluoridu (modrá), která zabraňuje pronikání dendritů a chrání lithiumový povrch. © Ústav Paula Scherera PSI/Jinsong Zhang / Vlevo: Porézní pevný elektrolyt, kterým mohou pronikat lithiumové dendrity (šedá) až na lithiumový povrch (stříbrná); rozhraní je chráněno pouze přirozenou hranicovou vrstvou (růžová). Vpravo: Hustě sinterovaný pevný elektrolyt vyrobený v Ústavu Paula Scherera PSI s stabilizační vrstvou z lithnofluoridu (modrá), která zabraňuje pronikání dendritů a chrání lithiumový povrch. © Ústav Paula Scherera PSI/Jinsong Zhang

Jinsong Zhang a Mario El Kazzi (zleva doprava) s testovací buňkou pevné baterie vyvinuté v Paul Scherrer Institut PSI. Oba výzkumníci vyvinuli postup, který kombinuje mírné sinterování s ultratenkou povrchovou vrstvou lithia fluoridu, čímž umožňuje výrobu obzvlášť stabilních elektrolytů pevného stavu. © Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic / Jinsong Zhang (vlevo) a Mario El Kazzi s testovací buňkou pevné baterie vyvinuté v Paul Scherrer Institut PSI. Oba výzkumníci vyvinuli postup, který kombinuje mírné sinterování s ultratenkou povrchovou vrstvou lithia fluoridu, čímž umožňuje výrobu obzvlášť stabilních elektrolytů pevného stavu. © Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic

Výzkumníkům z Paul Scherrer Institut PSI se podařil průlom na cestě k praktické aplikaci lithium-metalových pevných baterií – příští generace akumulátorů, které ukládají více energie, jsou bezpečnější a nabíjejí se rychleji než běžné lithium-iontové baterie.

Pevné baterie jsou považovány za slibující řešení pro elektromobilitu, mobilní elektroniku a stacionární ukládání energie – mimo jiné proto, že nevyžadují hořlavé kapalné elektrolyty a jsou proto obecně bezpečnější než běžné lithium-iontové baterie.

Nicméně stojí před dvěma klíčovými problémy na cestě k jejich uvedení na trh: Jedním z nich je tvorba lithiumových dendritů na anodě – drobných jehlicovitých kovových struktur, které pronikají do pevného elektrolytu vedoucího ionty mezi elektrodami, šíří se směrem ke katodě a nakonec způsobují interní zkrat. Druhým problémem je elektrochemická nestabilita na rozhraní mezi lithium-metalovou anodou a pevným elektrolytem, což ovlivňuje dlouhodobý výkon a spolehlivost baterie.

Pro překonání těchto dvou překážek vyvinul tým pod vedením Maria El Kazzi, vedoucí skupiny bateriových materiálů a diagnostiky v Paul Scherrer Institut PSI, nový výrobní postup: „Kombinovali jsme dva přístupy, které společně jak zhutňují elektrolyt, tak stabilizují rozhraní s lithiumem,“ říká vědec. O svých výsledcích informoval tým v odborném časopise Advanced Science.

Co jsou pevné baterie?

Elektrolyty jsou klíčové součásti opakovaně nabíjitelných baterií, protože umožňují tok iontů mezi anodou a katodou. Pevné baterie mají na rozdíl od klasických lithium-iontových baterií pevný elektrolyt. To je činí dvakrát výhodnějšími: za prvé neobsahují hořlavé kapalné složky – provoz je tedy výrazně bezpečnější. Za druhé slibují pevné baterie s tenkou lithium-metalovou anodou vyšší energetickou hustotu. Díky tomu by například elektromobily mohly v budoucnu dosáhnout výrazně větší dojezdy.

Problém s hutněním

V centru studie PSI stojí typ argyroditu Li₂PS₅Cl (LPSCl), sulfidový pevný elektrolyt složený z lithia, fosforu a síry. Tento minerál má vysokou vodivost lithia, což umožňuje rychlý přenos iontů uvnitř baterie – klíčovou podmínku pro vysoký výkon a efektivní nabíjení. To činí argyroditové elektrolyty slibnými kandidáty pro pevné baterie. Dosud však jejich realizace selhávala kvůli nedostatečnému hutnění materiálu, aby nevznikly dutiny, do kterých by mohly pronikat lithiumové dendrity.

Pro hutnění pevného elektrolytu dosud vědecké skupiny používaly dva přístupy: buď materiál lisovaly při pokojové teplotě za velmi vysokého tlaku, nebo používaly horké lisování, které kombinuje tlak s teplotami přes 400 stupňů Celsia. U posledního procesu, známého jako klasické sintrování, jsou částice spojovány pomocí tepla a tlaku do hustší struktury.

Obě metody však měly nežádoucí vedlejší účinky: lisování při pokojové teplotě je nedostatečné, protože vede k porézní mikrostruktuře a nadměrnému růstu zrn. Proces při velmi vysokých teplotách naopak nese riziko rozkladu pevného elektrolytu. Aby vědci získali odolný elektrolyt a stabilní rozhraní, museli přijít s novým přístupem.

Teplotní trik

Pro hutnění argyroditu do homogenního elektrolytu zohlednili El Kazzi a jeho tým faktor teploty, ale opatrněji: místo klasického sintrování zvolili šetrnější přístup, při kterém byl minerál lisován za mírného tlaku při teplotě kolem 80 stupňů Celsia. Tento jemný sintr úspěšně vedl k cíli: mírné teplo a působení tlaku umožnily, aby se částice správně uspořádaly, aniž by došlo ke změně chemické stability materiálu. Částice v minerálu navázaly těsné vazby, porézní místa se zhutnila a malé dutiny se uzavřely. Výsledkem je kompaktní, hustá mikrostruktura, která je odolná vůči pronikání lithiumových dendritů. V této podobě je pevný elektrolyt již vhodný pro rychlý přenos lithia-iontů.

Samotné jemné sintrování však nestačilo. Aby baterie spolehlivě fungovala i při vysokých proudech, například při rychlém nabíjení a vybíjení, bylo třeba ještě další modifikace. Na povrch lithiumové elektrody byla v podtlaku nanesena 65 nanometrů tenká vrstva lithnofluoridu (LiF), která byla rovnoměrně rozptýlena jako ultratenký film – slouží jako pasivní vrstva na rozhraní mezi anodou a pevným elektrolytem.

Tato mezivrstva plní dvojí funkci: jednak brání elektrochemickému rozkladu pevného elektrolytu při kontaktu s lithiem a tím potlačuje tvorbu „mrtvého“ neaktivního lithia. A za druhé působí jako fyzikální bariéra, která zabraňuje pronikání lithiumových dendritů do pevného elektrolytu.

Optimální výsledky po 1500 cyklech

V laboratorních testech s knoflíkovými články ukázala baterie při náročných podmínkách výjimečný výkon. „Její cyklická stabilita při vysokém napětí byla pozoruhodná,“ říká Jinsong Zhang, doktorand a hlavní autor studie. Po 1500 nabíjecích a vybíjecích cyklech si baterie stále udržela přibližně 75 procent své původní kapacity. Tři čtvrtiny lithia se stále přesouvaly z katody na anodu. „Vynikající výsledek. Tyto hodnoty patří k nejlepším, které byly dosud zaznamenány.“ Zhang proto vidí velkou šanci, že pevné baterie brzy překonají běžné lithium-iontové články s kapalným elektrolytem z hlediska energetické hustoty a životnosti.

El Kazzi a jeho tým tak poprvé ukázali, že kombinace mírného sintrování pevného elektrolytu a tenké pasivní vrstvy na lithiumové anodě účinně potlačuje tvorbu dendritů i nestabilitu rozhraní – dva z nejtrvalejších problémů pevných baterií. Toto kombinované řešení představuje důležitý pokrok ve výzkumu pevných baterií – navíc přináší ekologické a ekonomické výhody: díky nízkým teplotám šetří proces energii a tím i náklady. „Náš přístup je praktickým řešením pro průmyslovou výrobu pevných baterií na bázi argyroditu,“ říká El Kazzi. „Ještě pár dalších úprav – a můžeme začít.“