Las baterías de estado sólido, un nuevo diseño de batería que utiliza todos los componentes sólidos, han llamado la atención en los últimos años debido a su potencial para retener mucha más energía y al mismo tiempo evitar los desafíos de seguridad de sus contrapartes a base de líquido
Pero construir una batería de estado sólido de larga duración es más fácil decirlo que hacerlo. Ahora, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han utilizado la tomografía computarizada TC de rayos X para visualizar en tiempo real cómo se forman las grietas cerca de los bordes delinterfaces entre materiales en las baterías. Los hallazgos podrían ayudar a los investigadores a encontrar formas de mejorar los dispositivos de almacenamiento de energía.
"Las baterías de estado sólido podrían ser más seguras que las baterías de iones de litio y potencialmente contienen más energía, lo que sería ideal para vehículos eléctricos e incluso aviones eléctricos", dijo Matthew McDowell, profesor asistente en la Escuela de Mecánica George W. WoodruffIngeniería y la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales. "Tecnológicamente, es un campo muy veloz y hay muchas compañías interesadas en esto".
En una batería típica de iones de litio, la energía se libera durante la transferencia de iones de litio entre dos electrodos, un cátodo y un ánodo, a través de un electrolito líquido.
Para el estudio, que se publicó el 4 de junio en la revista Letras de energía de ACS y fue patrocinado por la National Science Foundation, el equipo de investigación construyó una batería de estado sólido en la que un disco de cerámica sólida se intercala entre dos piezas de litio sólido. El disco de cerámica reemplazó al electrolito líquido típico.
McDowell dijo: "Estamos descubriendo cómo hacer que estas piezas sólidas encajen y se comporten bien durante largos períodos de tiempo". Estamos trabajando en cómo diseñar estas interfaces entre estas piezas sólidas para que duren tanto tiempocomo sea posible."
En colaboración con Christopher Saldana, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff de Georgia Tech y experto en imágenes de rayos X, los investigadores colocaron la batería bajo un microscopio de rayos X y la cargaron y descargaron,buscando cambios físicos indicativos de degradación. Lentamente, en el transcurso de varios días, se formó un patrón de grietas en forma de telaraña en todo el disco.
Esas grietas son el problema y ocurren junto con el crecimiento de una capa de interfase entre el metal de litio y el electrolito sólido. Los investigadores descubrieron que esta fractura durante el ciclo causa resistencia al flujo de iones.
"Estas son reacciones químicas no deseadas que ocurren en las interfaces", dijo McDowell. "La gente generalmente ha asumido que estas reacciones químicas son la causa de la degradación de la célula. Pero lo que aprendimos al hacer esta imagen es que en este material en particular, no son las reacciones químicas en sí mismas las que son malas, no afectan el rendimiento de la batería. Lo malo es que la célula se fractura y eso destruye el rendimiento de la célula ".
Resolver el problema de fractura podría ser uno de los primeros pasos para desbloquear el potencial de las baterías de estado sólido, incluida su alta densidad de energía. El deterioro observado probablemente afecte a otros tipos de baterías de estado sólido, señalaron los investigadores, por lo que los hallazgospodría conducir al diseño de interfaces más duraderas.
"En las baterías normales de iones de litio, los materiales que utilizamos definen cuánta energía podemos almacenar", dijo McDowell. "El litio puro puede contener más, pero no funciona bien con electrolito líquido. Pero si pudiera usarlolitio sólido con un electrolito sólido, ese sería el santo grial de la densidad de energía ".
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Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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