Твердотельные аккумуляторы давно называют одной из главных технологий будущего. Они способны хранить больше энергии, заряжаться значительно быстрее и потенциально быть безопаснее привычных литий-ионных батарей. Но есть проблема, которая годами мешает вывести эту технологию из лабораторий в массовое производство: материал внутри аккумулятора может буквально разрушаться из-за микроскопических трещин.

Теперь исследователи из Стэнфордского университета нашли необычный способ защитить хрупкую керамику. Для этого им понадобился слой серебра толщиной всего несколько нанометров.

Серебряный слой толщиной всего 3 нанометра

В эксперименте исследователи работали с материалом LLZO — керамическим твердым электролитом на основе лития, лантана, циркония и кислорода. На его поверхность нанесли слой серебра толщиной всего около 3 нанометров. Для сравнения: человеческий волос имеет толщину примерно в десятки тысяч нанометров. Но самое интересное произошло после этого.

Образцы нагрели до примерно 300 градусов Цельсия. Под воздействием температуры атомы серебра начали перемещаться внутрь поверхностного слоя керамики. Там они замещали более мелкие атомы лития в пористой кристаллической структуре.

В результате серебро проникало примерно на глубину 20–50 нанометров.При этом оно не превращалось обратно в металлическое серебро. Серебро сохраняло положительный заряд — существовало в виде ионов Ag⁺. Именно эта деталь, считают исследователи, и является ключом ко всему эффекту.

Серебро не просто покрывает керамику — оно меняет ее свойства

Предыдущие эксперименты с подобными материалами тоже использовали серебро, однако ученые из Стэнфорда пошли другим путем. Их интересовали не металлические частицы серебра как таковые, а ионы Ag⁺, внедренные в поверхностную структуру электролита.

По мнению исследователей, более крупные ионы серебра меняют локальную структуру керамики и делают ее менее склонной к образованию и распространению трещин.

Одновременно они способны блокировать путь для лития в местах, где уже имеются микроскопические дефекты. Это особенно важно, поскольку именно проникновение лития в поврежденные участки может превратить небольшую поверхностную трещину в серьезную внутреннюю неисправность.

Получается своеобразный защитный барьер: серебро не устраняет все дефекты материала, но значительно снижает вероятность того, что они начнут быстро расти.

Прочность выросла почти в пять раз

Чтобы проверить эффект, ученые использовали специальный зонд внутри сканирующего электронного микроскопа. Он позволял контролируемо воздействовать на поверхность керамического электролита и определить силу, необходимую для появления трещины.

Результат оказался заметным: обработанной серебром поверхности потребовалось почти в пять раз больше механического давления, чтобы разрушиться. Иными словами, несколько нанометров серебра существенно изменили способность керамики сопротивляться растрескиванию.

Для твердотельных аккумуляторов это может иметь принципиальное значение. Их потенциальное преимущество заключается не только в большей емкости, но и в возможности использовать металлический литий и быстрее заряжать батарею. Но именно высокая скорость зарядки создает серьезные нагрузки на хрупкий твердый электролит.

Если поверхность удастся сделать устойчивее, одна из главных причин деградации аккумулятора может быть существенно ослаблена.

До готовой батареи еще далеко

Однако говорить о готовом решении для электромобилей или смартфонов пока рано. Исследование проводилось на небольших участках материала, а не на полноразмерных аккумуляторных элементах. Ученым еще предстоит выяснить, можно ли равномерно наносить такую обработку на большие поверхности, как она будет взаимодействовать с другими компонентами батареи и сохранит ли эффект после тысяч циклов зарядки.

Сейчас команда уже проводит эксперименты с полноценными твердотельными аккумуляторами на основе металлического лития. Исследователи также изучают, как давление, воздействующее на аккумулятор с разных направлений, влияет на срок его службы. Кроме того, ученые хотят проверить аналогичный подход на других твердых электролитах, в том числе на материалах на основе серы.