Okazuje się, że niektóre defekty w nanoskali sprzyjają wzmocnieniu materiałów, które wykorzystuje się w magazynowaniu energii. Traktuje o tym jedna z najnowszych publikacji w „Nano Letters”.
„Nano Letters” jest cenionym miesięcznikiem naukowym wydawanym przez Amerykańskie Towarzystwo Chemiczne od 2001 roku. Publikacja, o której mowa, pojawiła się 29 kwietnia 2021 roku. Jej pełny tytuł brzmi: „X-ray Nanoimaging of Crystal Defects in Single Grains of Solid-State Electrolyte Li7-3xAlxLa3Zr2O12”. Tłumacząc na język polski, chodzi o rentgenowskie nanoobrazowanie defektów kryształów w pojedynczych ziarnach elektrolitu Li7-3xAlxLa3Zr2O12 w stanie stałym. Treść niniejszego wpisu opiera się też w dużej części na artykule z psych.org, którego autorem jest David Nutt z Argonne National Laboratory.
Kierunek badań nad defektami w nanoskali
Głównym autorem wspomnianego artykułu z „Nano Letters” jest Yifei Sun, doktorantka z Uniwersytetu Cornella. Badacze współpracujący przy projekcie wykorzystali nanoobrazowanie rentgenowskie, aby uzyskać wgląd w elektrolity w stanie stałym. Dzięki temu udało się im dostrzec defekty kryształów i dyslokacje. To cenne odkrycie można prawdopodobnie wykorzystać do stworzenia bardziej doskonałych materiałów magazynujących energię.
Ewolucja narzędzi a doskonalenie materiałów
Uboga technologia kiedyś stanowiła ograniczenie. Teraz dużo łatwiej bada się niektóre zjawiska. Naukowcy zajmujący się materiałami badają skutki niewielkich defektów metali już od długiego czasu. Ulepszone narzędzia do obrazowania pozwalają teraz badać im podobne zjawiska w innych materiałach, w tym w materiałach do magazynowania energii.
Defekty a żywotność elektrolitów w stanie stałym
Andrej Singer, adiunkt i pracownik Wydziału Inżynierii Materiałowej, powiedział, że drobne wady to rzecz, która może zapewnić żywotność elektrolitów w stanie stałym. Andrej Singer kieruje grupą badawczą, której praca skupia się właśnie wokół elektrolitów w stanie stałym. Naukowcom wydaje się, że potencjalnie jednym ze sposobów zapobiegania awarii w akumulatorowych magazynach energii mogłoby być zastąpienie elektrolitów ciekłych i polimerowych w akumulatorach litowo-jonowych elektrolitami stałymi.
Wadą elektrolitów ciekłych jest ich podatność na tworzenie się dendrytów między anodą a katodą. To z kolei prowadzi do zwarcia akumulatora, niekiedy nawet pożaru lub eksplozji. Natomiast elektrolity w stanie stałym mają tę przewagę, że nie są tak łatwopalne. Jednak stanowią inne wyzwanie, ponieważ nie przewodzą jonów litu tak silnie i szybko jak elektrolity ciekłe. Poza tym utrzymanie kontaktu między anodą a katodą może być w ich przypadku trudne.
Potencjał wykazuje elektrolit w stanie stałym Li7La3Zr2O12 z domieszką glinu – dzięki wysokiej przewodności jonowej i dobrej stabilności. Jednak dalsze udoskonalenia tych właściwości wymagają zrozumienia jego lokalnej mikrostruktury. Właśnie w tym celu grupa Singera, współpracując z innymi ośrodkami, wykorzystuje promieniowanie synchrotronowe do odkrycia defektów w skali atomowej w materiałach baterii.
Naukowcy zastosowali obrazowanie metodą Bragga. To technika, w której czysta, kolumnowa wiązka promieniowania rentgenowskiego jest skupiana na pojedynczym maleńkim ziarnie (elektrolity mają ich miliony). Wiązka stworzyła obraz 3D, który ostatecznie pokazał skład materiału i rozmieszczenie atomów. Yifei Sun mówi:
„Zakładano, że te elektrolity to doskonałe kryształy (…) Ale to, co znajdujemy, to defekty, takie jak dyslokacje i granice ziaren, których wcześniej nie opisano. Bez naszego obrazowania 3D, które jest niezwykle wrażliwe na defekty, prawdopodobnie niemożliwe byłoby zobaczenie tych dyslokacji, ponieważ gęstość dyslokacji jest niska.”
Kontynuacje badań nad defektami w elektrolitach
Aktualnie naukowcy planują badanie w rzeczywistym akumulatorze. Chcą zmierzyć wpływ defektów na działanie elektrolitów w stanie stałym. Andrej Singer o tych zamiarach mówi:
„Teraz, kiedy dokładnie wiemy, czego szukamy, chcemy znaleźć te wady i przyjrzeć się im podczas pracy z akumulatorem. (…) Wciąż jesteśmy od tego daleko, ale być może jesteśmy na początku nowego rozwoju, w którym możemy celowo zaprojektować te defekty, aby stworzyć lepsze materiały do magazynowania energii”.