Új módszer stabil és tartós szilárdtest-akkumulátorokhoz

Egy innovatív gyártási folyamat a jövő akkumulátoráért: A PSI kutatói egy aktuális tanulmányban bemutatják, hogyan lehet az összes固态 akkumulátorokat költséghatékonyan, hatékonyan és tartósan gyártani. A kép egy tesztelemet mutat, amelyben a PSI-ben kifejlesztett összes固态 akkumulátor készül és tesztelésre kerül. © Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic / Egy innovatív gyártási folyamat megnyitja az utat a jövő akkumulátorai előtt: Legújabb tanulmányukban a PSI kutatói bemutatnak egy költséghatékony és hatékony módszert az összes固态 akkumulátorok gyártására, amelyek hosszú élettartammal rendelkeznek. A kép egy tesztelemet mutat, amelyet az PSI-ben kifejlesztett összes固态 akkumulátor gyártására és tesztelésére használnak. © Paul Scherrer Institute PSI/Mahir Dzambegovic

Linkek: Porózus szilárd elektrolit, amelyen keresztül a lítium-dendritek (szürke) be tudnak hatolni a lítiumfelszínre (ezüst); a határfelületet csupán egy természetes határréteg (rózsaszín) védi. Jobb oldalon: A Paul Scherrer Intézetben (PSI) gyártott, sűrűn szinterelt szilárd elektrolit, stabilizáló lítium-fluorid bevonattal (kék), amely megakadályozza a dendritek behatolását és védi a lítiumfelszínt. © Paul Scherrer Intézet PSI/Jinsong Zhang / Bal: Porózus szilárd elektrolit, amelyen keresztül a lítium-dendritek (szürke) be tudnak hatolni a lítiumfelszínre (ezüst); a határfelületet csupán egy természetes határréteg (rózsaszín) védi. Jobb: Sűrűn szinterelt szilárd elektrolit, amelyet a Paul Scherrer Intézetben (PSI) gyártottak, stabilizáló lítium-fluorid bevonattal (kék), amely megakadályozza a dendritek behatolását és védi a lítiumfelszínt. © Paul Scherrer Intézet PSI/Jinsong Zhang

Jinsong Zhang és Mario El Kazzi (balról jobbra) egy teszthez használt cellával, amelyet a Paul Scherrer Intézetben PSI fejlesztett szilárdtest-akkumulátor. A két kutató olyan eljárást fejlesztett ki, amely enyhe szinterezést kombinál egy ultranagy vastagságú lítium-fluorid bevonattal, ezáltal lehetővé téve különösen stabil szilárdtest-elektrolitok gyártását. © Paul Scherrer Intézet PSI/Mahir Dzambegovic

A Paul Scherrer Intézet PSI kutatóinak sikerült áttörést elérniük a lítium-metál szilárdtest-akkumulátorok gyakorlati alkalmazásának útján – a következő generációs akkumulátorokban, amelyek több energiát tárolnak, biztonságosabbak és gyorsabban tölthetők, mint a hagyományos lítium-ionos akkumulátorok.

A szilárdtest-akkumulátorokat ígéretes megoldásnak tartják az elektromobilitás, a mobil elektronika és a állandó energiatárolás terén – többek között azért, mert nem igényelnek gyúlékony folyékony elektrolitokat, így alapvetően biztonságosabbak a hagyományos lítium-ionos akkumulátoroknál.

Azonban két központi probléma akadályozza a piaci bevezetést: egyrészt a lítium-dendritek képződése az anódon továbbra is kritikus pont – apró, tűszerű fémstruktúrák, amelyek áthatolnak a lítiumion vezető szilárd elektroliton az elektródák között, terjeszkednek a katód felé, és végül belső rövidzárlatokat okoznak. Másrészt az elektrokémiai instabilitás áll fenn a lítium-metál anód és a szilárd elektrolit határfelületén, ami hosszú távon rontja az akkumulátor teljesítményét és megbízhatóságát.

Az ezeknek a két akadálynak a leküzdésére a Mario El Kazzi vezetésével dolgozó csapat, a Paul Scherrer Intézet PSI Batteriematerialien und Diagnose csoportja, egy új gyártási eljárást fejlesztett ki: „Két megközelítést kombináltunk, amelyek egyaránt sűrítik az elektrolitot és stabilizálják a határfelületet a lítiummal”, mondja a tudós. Eredményeikről a Scientific Journal Advanced Science című folyóiratban számolnak be.

Mi az a szilárdtest-akkumulátor?

Az elektrolitok központi alkatrészek a újratölthető akkumulátorokban, mivel lehetővé teszik az ionok áramlását az anód és a katód között. A szilárdtest-akkumulátorok szemben a hagyományos lítium-ionos akkumulátorokkal, szilárd elektrolittal rendelkeznek. Ez kétszeresen is előnyös: egyrészt nem tartalmaznak gyúlékony folyékony komponenseket – így működésük sokkal biztonságosabb. Másrészt a szilárdtest-akkumulátorok vékony lítium-metál anódjával magasabb energiasűrűséget ígérnek. Ez például lehetővé tenné az elektromos autók számára, hogy a jövőben jelentősen nagyobb hatótávolságot érjenek el.

A sűrítés problémája

A PSI tanulmánya középpontjában a Li₆PS₅Cl (LPSCl) argyrodit típusú, lítium-, foszfor- és kénalapú szilárd elektrolit áll, amely magas lítiumion-vezetőképességgel rendelkezik, lehetővé téve a gyors iontranszportot az akkumulátor belsejében – ez alapvető feltétele a magas teljesítménynek és az hatékony töltési folyamatoknak. Ezért az argyrodit-alapú elektrolitok ígéretes jelöltek a szilárdtest-akkumulátorok számára. Az eddigi megvalósítás azonban abból állt, hogy a anyagot nem sikerült megfelelően sűríteni, hogy ne alakuljanak ki üregek, amelyekbe a lítium-dendritek behatolhatnak.

A szilárd elektrolit sűrítésére eddig két módszert alkalmaztak a kutatócsoportok: vagy nyomással préselték a anyagot szobahőmérsékleten, vagy hevített préselési eljárást alkalmaztak, amely a nyomást 400 Celsius-fok feletti hőmérséklettel kombinálja. Az utóbbi, klasszikus szinterelés során a részecskéket hő és nyomás hatására sűrűbb szerkezetbe olvasztják össze.

Mindkét módszer azonban nem kívánt mellékhatásokat eredményezett: a szobahőmérsékleti préselés nem volt elég hatékony, mert pórusos mikrostruktúrát és túlzott szemnövekedést eredményezett. A magas hőmérsékleten történő feldolgozás viszont kockázatos, mert a szilárd elektrolit lebomolhat. Ezért a PSI kutatóinak új megközelítést kellett alkalmazniuk, hogy tartós elektrolitot és stabil határfelületet érjenek el.

A hőmérsékleti trükk

Az argyrodit homogén elektrolittá sűrítéséhez El Kazzi és csapata a hőmérséklet szerepét is figyelembe vette, de óvatosabb módon: a klasszikus szinterelés helyett egy kíméletesebb módszert választottak, amely során a anyagot mérsékelt nyomással és csak kb. 80 Celsius-fokos hőmérsékleten préselték. Ez a gyengéd szinterelés sikerrel járt: a mérsékelt hő és a nyomás hatására a részecskék a kívánt módon rendeződtek, anélkül, hogy megváltoztatták volna az anyag kémiai stabilitását. A részecskék szoros kötéseket alakítottak ki, a pórusos részek sűrűbbé váltak, és apró üregek záródtak be. Az eredmény egy tömör, sűrű mikrostruktúra, amely ellenáll a lítium-dendritek behatolásának. Ebben a formában a szilárd elektrolit már kiválóan alkalmas a gyors lítium-ion szállítására.

A gyengéd szinterelés azonban önmagában nem volt elegendő. Ahhoz, hogy magas áramterhelés mellett, például gyors töltés és ürítés esetén is megbízhatóan működjön, a szilárdtest-akkumulátornak további módosításokra volt szüksége. Ennek érdekében egy 65 nanométer vékony lítium-fluorid (LiF) bevonatot párologtattak vákuumban, és egyenletesen felvitték az anód felületére – ez passzivációs rétegként szolgál a határfelületen az anód és a szilárd elektrolit között.

Ez a közbenső réteg két funkciót tölt be: egyrészt megakadályozza a szilárd elektrolit elektrokémiai lebomlását a lítiummal való érintkezéskor, így gátolja az inaktív „halott” lítium képződését. Másrészt fizikai akadályként működik, amely megakadályozza a lítium-dendritek behatolását a szilárd elektrolitba.

Optimális eredmények 1500 ciklus után

A laboratóriumi vizsgálatok során a gombaként működő cella kiemelkedő teljesítményt mutatott kihívást jelentő körülmények között. „A magas feszültségen való ciklusstabilitása figyelemre méltó volt” – mondja Jinsong Zhang, a tanulmány doktori hallgatója és fő szerzője. 1500 töltés és lemerítés után a cella még körülbelül 75 százalékát tartotta meg eredeti kapacitásának. Tehát továbbra is háromnegyed lítium-ion ment a katódról az anód felé. „Kiváló eredmény. Ezek az értékek a legjobbak közé tartoznak, amiket eddig jelentettek” – mondja Zhang. Ezért jó esély van arra, hogy a szilárdtest-akkumulátorok a jövőben felülmúlják a hagyományos lítium-ionos akkumulátorokat folyékony elektrolittal, energiasűrűség és tartósság tekintetében.

El Kazzi és csapata elsőként mutatta be, hogy a szilárd elektrolit mérsékelt szinterelése és a vékony passzivációs réteg alkalmazása az anódon hatékonyan gátolja mind a dendritek képződését, mind a határfelületi instabilitást – két makacs problémát a szilárdtest-akkumulátorok esetében. Ez az összetett megoldás jelentős előrelépést jelent a szilárdtest-akkumulátor kutatásában – ráadásul ökológiai és gazdasági előnyökkel is jár: a alacsony hőmérsékletű folyamat energiát és költséget takarít meg. „A mi megközelítésünk egy gyakorlati megoldás az argyrodit-alapú szilárdtest-akkumulátorok ipari gyártására” – mondja El Kazzi. „Csak néhány további finomhangolás, és már indulhatunk is.”