Multifunctional BN-Enabled Li7La3Zr2O12 Composite Electrolytes with Enhanced Toughness and Ionic Conductivity

Batterijen zijn de stille motoren van het moderne leven en voeden alles, van smartphones tot elektrische auto's. In elke batterij transporteert een vloeistof of gel geladen deeltjes, waardoor energie in en uit kan stromen. Deze vloeistoffen kunnen echter brandbaar zijn en gevoelig zijn voor lekken, wat veiligheidsrisico's met zich meebrengt. Wetenschappers zoeken al lang naar een betere oplossing: een vaste batterij die de vloeistof vervangt door een vast materiaal. Deze verandering belooft batterijen die veiliger zijn, meer energie bevatten en langer meegaan. De sleutel tot het laten werken hiervan is het vinden van een vast materiaal dat elektriciteit net zo goed kan geleiden als een vloeistof, terwijl het sterk genoeg blijft om gevaarige interne kortsluitingen te voorkomen. Een veelbelovend materiaal is een keramiek gemaakt van lithium, lanthanum en zirkonium. Hoewel het ionen goed geleidt, is het van nature bros, zoals een stuk krijt dat onder druk afbreekt. Als het barst, faalt de batterij. Bovendien vereist het maken van dit keramiek dat dicht genoeg is om efficiënt te werken, meestal het bakken op extreem hoge temperaturen gedurende vele uren, een proces waarbij het essentiële lithium van de batterij verdampen en het eindproduct verzwakken.

Onderzoekers aan de Khalifa University en de Chinese Academy of Sciences hebben een nieuwe methode ontwikkeld om deze tweeledige problemen van brosheid en productie-verlies op te lossen. Ze creëerden een composietmateriaal door een kleine hoeveelheid hexagonaal boornitride, een keramiek dat bekend staat om zijn sterkte en hittebestendigheid, te mengen in het lithiumgebaseerde keramiek. In plaats van een traditionele, langzame oven te gebruiken, gebruikten ze een techniek genaamd ultrasnelle Joule-verhitting. Deze methode stuurt een sterke elektrische stroom direct door het materiaal, waardoor het in slechts dertig seconden wordt verhit tot bijna 1.000 graden Celsius. Dit snelle proces houdt het lithium binnen voordat het kan ontsnappen, terwijl het toegevoegde boornitride fungeert als een krachtige helper. Het resultaat is een vaste elektrolyt die aanzienlijk taaier en geleidender is dan eerdere versies, wat een praktische weg biedt naar veiligere, hoogwaardige solid-state batterijen.

Het team begon met het mengen van het keramische poeder met variërende hoeveelheden van de boornitride-additief. Ze ontdekten dat het toevoegen van slechts een klein deel, specifiek 0,5 procent bij gewicht, de beste resultaten opleverde. Wanneer ze dit mengsel onderwerpen aan het ultrasnelle verhittingsproces, smolt het materiaal samen tot een dichte, vaste schijf. In contrast hiermee bleven monsters gemaakt met traditionele, langzame verhittingsmethoden poreus en zwak. De snelle verhitting voorkwam dat het lithium verdampte, oftewel in gas veranderde, wat een veelvoorkomend probleem is bij standaard fabricage. Het boornitride deed meer dan alleen de structuur bij elkaar houden; het reageerde chemisch met een hardnekkige laag lithiumcarbonaat die van nature op het oppervlak van het keramiek vormt wanneer het aan de lucht wordt blootgesteld. Deze reactie transformeerde het isolerende carbonaat in een nieuwe verbinding, lithiumboraat, wat de ionen juist vrijer laat bewegen. Deze chemische verschuiving verwijderde een belangrijke barrière voor de elektrische stroom binnen het materiaal.

De verbeteringen in de fysieke eigenschappen van het materiaal waren spectaculair. Het oorspronkelijke keramiek, zonder enige additieven, had een taaiheidswaarde van ongeveer 5,8 megajoule per kubieke meter. Dit is een maatstaf voor de hoeveelheid energie die het materiaal kan absorberen voordat het breekt. Met de toevoeging van de kleine hoeveelheid boornitride en het snelle verhittingsproces, sprong deze taaiheid naar ongeveer 70,2 megajoule per kubieke meter. Dit vertegenwoordigt een twaalfvoudige toename in het vermogen van het materiaal om spanning te weerstaan zonder te barsten. De onderzoekers observeerden dat de boornitride-deeltjes werkten als kleine bruggen die de verspreiding van scheuren door het keramiek tegenhielden. Tegelijkertijd verbeterde de elektrische prestatie. De snelheid waarmee lithiumionen door het materiaal kunnen bewegen, ook wel ionische geleidbaarheid genoemd, nam toe van 4,48 maal 10 tot de macht van min 6 siemens per centimeter naar 1,1 maal 10 tot de macht van min 5 siemens per centimeter. Dit is een 2,5-voudige verbetering, wat betekent dat de batterij efficiënter kan laden en ontladen.

Toen de onderzoekers hun ultrasnelle methode vergeleken met conventionele sintering, werden de voordelen nog duidelijker. De monsters gemaakt met de trage, traditionele methode vertoonden een hoge weerstand tegen de stroom van ionen en waren mechanisch zwakker. Ze vereisten meer energie om de ionen erdoorheen te duwen en waren eerder geneigd te falen onder druk. De met ultrasnelheid gesinterde monsters vertoonden echter een significante vermindering van de weerstand en een opmerkelijke toename in sterkte. Het team testte ook de thermische stabiliteit van het materiaal. Ze ontdekten dat het nieuwe composiet veel minder gewicht verloor bij verhitting in vergelijking met het oorspronkelijke keramiek, wat aangeeft dat het lithium beter behouden bleef tijdens het fabricageproces. Dit behoud is cruciaal omdat het verlies van lithium het vermogen van de batterij om energie over tijd op te slaan verzwakt. De studie bevestigde dat het boornitride niet alleen de structuur versterkte, maar ook actief de korrelgrenzen opschoonde – de interfaces tussen de kleine kristallen waaruit het keramiek bestaat – waardoor er gladdere paden ontstonden voor de ionen om te reizen.

Het succes van deze aanpak berust op de precieze balans van de additief en de snelheid van de verhitting. Het toevoegen van te veel boornitride, zoals 10 procent, schaadde de prestaties zelfs. De overtollige additief klonterde samen, waardoor holtes en gaszakken ontstonden die voorkamen dat het materiaal dicht werd. Dit leidde tot een materiaal dat zwak was en een slechte elektrische geleidbaarheid had. Het ideale punt werd gevonden bij de zeer lage concentratie van 0,5 procent, wat genoeg was om de gunstige chemische reacties en structurele versterking te triggeren zonder de integriteit van het keramiek te verstoren. De onderzoekers demonstreerden ook dat deze methode werkte met een iets andere versie van het keramiek, wat suggereert dat de techniek veelzijdig is. Door een multifunctionele additief te combineren met een ultrasnelle verwerkingstechniek, heeft het team een manier getoond om vaste elektrolyten te produceren die zowel mechanisch robuust als elektrochemisch efficiënt zijn. Dit werk pakt de kritieke hindernissen van brosheid en lithiumverlies aan, en biedt een schaalbare strategie om solid-state batterijen dichter bij echt wereldgebruik te brengen.