MA Cheng de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) y sus colaboradores propusieron una estrategia efectiva para abordar el problema del contacto electrodo-electrolito que está limitando el desarrollo de la próxima generación de baterías de litio de estado sólido. El electrodo compuesto de sólidos sólidos creado de esta manera mostró capacidades y rendimientos excepcionales.
La sustitución del electrolito líquido orgánico en las baterías de iones de litio convencionales por electrolitos sólidos puede aliviar en gran medida los problemas de seguridad y potencialmente romper el "techo de vidrio" para mejorar la densidad energética. Sin embargo, los materiales de electrodos convencionales también son sólidos. Dado que el contacto entre dos sólidos es casi imposible que sea tan íntimo como entre sólido y líquido, en la actualidad las baterías basadas en electrolitos sólidos suelen presentar un contacto pobre entre electrodos y electrolitos y un rendimiento insatisfactorio de la célula completa.
"El problema del contacto electrodo-electrolito de las baterías de estado sólido es algo así como la duela más corta de un barril de madera", dijo el profesor MA Cheng de USTC, autor principal del estudio. "En realidad, a lo largo de estos años los investigadores ya han desarrollado muchos electrodos excelentes y electrolitos sólidos, pero el pobre contacto entre ellos sigue limitando la eficiencia del transporte de iones de litio".
Afortunadamente, la estrategia de MA puede superar este formidable desafío. El estudio comenzó con el examen átomo por átomo de una fase de impureza en un prototipo de electrolito sólido estructurado con perovskita. Aunque la estructura cristalina difería mucho entre la impureza y el electrolito sólido, se observó que formaban interfaces epitaxiales. Después de una serie de análisis estructurales y químicos detallados, los investigadores descubrieron que la fase de impureza es isoestructural con los electrodos de alta capacidad de capas ricas en Litio. Es decir, un prototipo de electrolito sólido puede cristalizar en la "plantilla" formada por la estructura atómica de un electrodo de alto rendimiento, dando lugar a interfaces atómicamente íntimas.
"Esto es realmente una sorpresa", dijo el primer autor, LI Fuzhen, quien actualmente es un estudiante graduado de la USTC. "La presencia de impurezas en el material es en realidad un fenómeno muy común, tan común que la mayor parte del tiempo serán ignoradas. Sin embargo, después de examinarlos de cerca, descubrimos este comportamiento epitaxial inesperado, que inspiró directamente nuestra estrategia para mejorar el contacto sólido-sólido".
Aprovechando el fenómeno observado, los investigadores cristalizaron intencionalmente el polvo amorfo con la misma composición que el electrolito sólido estructurado con perovskita en la superficie de un compuesto de capas ricas en Li, y lograron un contacto completo y sin fisuras entre estos dos materiales sólidos en un electrodo compuesto. Con el problema del contacto electrodo-electrolito resuelto, un electrodo compuesto sólido-sólido de este tipo ofrecía una capacidad de velocidad incluso comparable a la de un electrodo compuesto sólido-líquido. Más importante aún, los investigadores también encontraron que este tipo de contacto epitaxial sólido-sólido puede tolerar grandes desajustes en la red, y por lo tanto la estrategia que propusieron también podría ser aplicable a muchos otros electrolitos sólidos perovskitas y electrodos en capas.
"Este trabajo señaló una dirección que vale la pena seguir", dijo MA. "La aplicación del principio aquí planteado a otros materiales importantes podría conducir a un rendimiento celular aún mejor y a una ciencia más interesante. Estamos deseando que llegue".
Los investigadores tienen la intención de continuar su exploración en esta dirección y aplicar la estrategia propuesta a otros cátodos de alta capacidad y alto potencial.
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