Imágenes de rayos X proporcionan pistas sobre fracturas en baterías de estado sólido

02.07.2019

Rob Felt

Thomas Marchese, un estudiante de Georgia Tech, monta una batería.

Las baterías de estado sólido -un nuevo diseño de batería que utiliza todos los componentes sólidos- han ganado atención en los últimos años debido a su potencial para contener mucha más energía y, al mismo tiempo, evitar los desafíos de seguridad de sus contrapartes de base líquida.

Pero construir una batería de estado sólido de larga duración es más fácil de decir que de hacer. Ahora, investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han usado tomografía computarizada de rayos X (TC) para visualizar en tiempo real cómo se forman grietas cerca de los bordes de las interfaces entre los 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 de iones de litio y potencialmente contener más energía, lo que sería ideal para los vehículos eléctricos e incluso para los aviones eléctricos", dijo Matthew McDowell, profesor asistente de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff y de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales. "Tecnológicamente, es un campo que se mueve muy rápido, y hay muchas compañías interesadas en esto."

En una batería de iones de litio típica, 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, publicado en la revista ACS Energy Letters y 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 intercaló entre dos piezas de litio sólido. El disco de cerámica reemplazó al típico electrolito líquido.

"El desafío es averiguar cómo hacer que estas piezas sólidas encajen y se comporten bien durante largos periodos de tiempo", señaló McDowell. "Estamos trabajando en cómo diseñar estas interfaces entre estas piezas sólidas para que duren el mayor tiempo posible."

En colaboración con Christopher Saldana, profesor asistente de 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. Poco a poco, a lo largo de varios días, se formó un patrón de grietas en forma de red a lo largo del disco.

Esas grietas son el problema y ocurren junto con el crecimiento de una capa interfase entre el metal de litio y el electrolito sólido. Los investigadores encontraron 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 imagenología es que en este material en particular, no son las reacciones químicas en sí 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 la fractura podría ser uno de los primeros pasos para desbloquear el potencial de las baterías de estado sólido, incluida su alta densidad de energía. Es probable que el deterioro observado afecte a otros tipos de baterías de estado sólido, anotaron los investigadores, por lo que los hallazgos podrían conducir al diseño de interfaces más duraderas.

"En las baterías de iones de litio normales, los materiales que utilizamos definen cuánta energía podemos almacenar", dijo McDowell. "El litio puro es el que más aguanta, pero no funciona bien con electrolitos líquidos. Pero si pudieras usar litio sólido con un electrolito sólido, sería el santo grial de la densidad de energía".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Georgia Institute of Technology

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