Un studiu inovator asupra electroliților solizi pentru baterii mai sigure și eficiente

Un studiu computațional și experimental comun a analizat modul în care adăugarea unor dopanți specifici într-un electrolit solid poate îmbunătăți interacțiunea acestuia cu un electrod de litiu metalic. Rezultatele ar putea duce la baterii mai sigure și mai eficiente energetic.

Publicată în ACS Materials Letters, cercetarea condusă de o echipă de la Laboratorul Național Argonne (ANL) al Departamentului de Energie al SUA (DOE) a oferit informații esențiale despre electroliții solizi testați pentru bateriile cu stare solidă. Aceste baterii utilizează electroliți solizi în locul celor lichizi, o tehnologie crucială pentru dezvoltarea bateriilor litiu-ion mai ușoare, mai dense energetic, mai durabile și mai sigure. Spre deosebire de electroliții lichizi din bateriile convenționale, electroliții solizi nu sunt volatili sau inflamabili și sunt mai puțin reactivi cu litiul metalic.

Un candidat promițător pentru astfel de baterii este granatul de litiu lantan și zirconiu (LLZO), un material apreciat pentru rezistența, durabilitatea și conductivitatea sa. Pentru a îmbunătăți performanța acestuia, cercetătorii au experimentat doparea cu elemente precum aluminiu și galiu, menită să îmbunătățească conductivitatea ionică a LLZO.

Dopajul cu aluminiu și galiu ajută LLZO să își mențină o structură simetrică și să creeze spații care permit ionilor de litiu să circule mai ușor. Totuși, dopajul poate influența și reactivitatea materialului cu litiul metalic, afectând durata de viață a bateriei. Studiul a arătat că galiul tinde să migreze mai ușor din electrolit și să reacționeze cu litiul, formând un aliaj care scade cantitatea de galiu disponibilă. Această pierdere poate altera structura granatului de litiu și reduce conductivitatea ionică. În schimb, LLZO dopat cu aluminiu își păstrează integritatea.

Deși LLZO dopat cu galiu prezintă o conductivitate ionică mai mare decât varianta dopată cu aluminiu, reactivitatea sa ridicată necesită un strat interfacial protector care să prevină interacțiunea cu litiul și să păstreze conductivitatea.

Înțelegerea modului în care diferiți dopanți influențează comportamentul LLZO îi va ajuta pe cercetători să proiecteze materiale mai stabile și mai fiabile pentru bateriile cu stare solidă ale viitorului.

Explorarea interfeței dintre LLZO și litiu metal pentru baterii avansate

La interfața dintre granatul de litiu lantan și zirconiu (LLZO) și litiul metalic, pozițiile potențiale ale dopanților sunt reprezentate ca sfere roz. Undele colorate evidențiază reducerea galiului și formarea unui aliaj după depunerea litiului. (Imagine de Matt Klenk, Sanja Tepavcevic și Peter Zapol/Argonne National Laboratory. Retipărit cu permisiunea ACS Materials Letters, 2024, 6, 12, 5216-5221. Copyright 2024 American Chemical Society.)

„Dacă dopanții sunt instabili, o conductivitate îmbunătățită nu este suficientă”, explică Sanja Tepavcevic, chimist la Argonne și experimentator principal al studiului.

„Dacă putem separa reactivitatea de conductivitate sau dacă putem dezvolta un material care are atât o conductivitate ridicată, cât și o stabilitate sporită, acesta este obiectivul pe care încercăm să-l atingem prin această lucrare.”
— Sanja Tepavcevic

Prin combinarea tehnicilor computaționale și experimentale, echipa de cercetători a reușit să măsoare proprietățile esențiale ale materialelor dopate, obținând în același timp informații la nivel atomic despre interacțiunea dintre metalul de litiu și electrolitul solid.

Tehnici avansate pentru investigarea interfețelor ascunse

Folosind teoria funcțională a densității (DFT), cercetătorii au putut prezice stabilitatea diferiților dopanți și modul în care aceștia reacționează cu alte substanțe din sistem. Unul dintre cele mai mari obstacole în studierea interfeței electrolit-electrod solid este faptul că aceste zone sunt „îngropate” și greu accesibile prin metode experimentale convenționale, mai ales în timpul reacțiilor electrochimice care au loc în timpul funcționării bateriei.

Pentru a depăși această provocare, cercetătorii au folosit mai multe tehnici avansate, printre care:

• Spectroscopia fotoelectronului cu raze X (XPS) – pentru a analiza modificările chimice la suprafața LLZO.
• Spectroscopia de impedanță electrochimică (EIS) – pentru a studia mișcarea ionilor de litiu în electrolit și la interfața cu electrodul.
• Difracția cu neutroni – pentru a investiga aranjamentul atomic în material și a confirma că galiul devine mai instabil și mai reactiv la contactul cu litiul, în timp ce aluminiul își menține stabilitatea.

Colaborări internaționale pentru bateriile viitorului

Această cercetare a fost posibilă datorită colaborării dintre mai multe instituții de renume. Universitatea din California, Santa Barbara, a furnizat mostre de LLZO de înaltă calitate, esențiale pentru experimente. Experimentele de difracție cu neutroni au fost realizate în două centre de cercetare de top: Heinz Maier-Leibnitz Zentrum din Germania și Institutul de Fizică Nucleară al Academiei Cehe de Științe din Republica Cehă.

Studiul a fost finanțat prin Cooperarea SUA-Germania pentru Stocarea Energiei, un program inițiat de Biroul pentru Eficiență Energetică și Energie Regenerabilă al Departamentului de Energie al SUA (DOE). Acest parteneriat sprijină cercetarea avansată în domeniul bateriilor cu litiu, contribuind la dezvoltarea unor tehnologii mai sigure și mai eficiente pentru viitorul stocării energiei.