"Single-atom-layer trap": Una característica microscópica fundamental para la migración de los iones de litio
Importante descubrimiento sobre el mecanismo de migración del Li-ion en los electrolitos sólidos para baterías
El Prof. MA Cheng de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia China de Ciencias (CAS) y sus colegas hicieron un importante descubrimiento sobre el mecanismo de migración del Li-ion en los electrolitos sólidos para baterías. Observaron un nuevo tipo de característica microscópica que puede influir significativamente en el transporte iónico.
Imágenes de resolución atómica de SALT.
ZHU Feng, Md Shafiqul Islam, ZHOU Lin, et al.
El electrolito sólido es el componente clave para permitir que las baterías de estado sólido, seguras y con alta densidad de energía. Antes de que los electrolitos sólidos altamente conductores puedan desarrollarse de una manera basada en el conocimiento, el mecanismo detrás de la migración del Li-ion debe ser entendido a fondo. En muchos materiales, el éxito de esta tarea radica en si las "características no periódicas" pueden comprenderse bien, porque esas características suelen provocar un cambio de orden de magnitud en la conductividad iónica. En la actualidad, en la mayoría de los estudios sólo se han considerado dos tipos de rasgos no periódicos, a saber, los límites de los granos y los defectos de los puntos.
El equipo de MA descubrió un tipo adicional de característica no periódica que afecta profundamente al transporte iónico. Usando microscopía electrónica de transmisión corregida por aberración, detectaron un gran número de defectos de una sola capa de átomos en un prototipo de electrolito sólido Li0.33La0.56TiO3. A diferencia de otras características no periódicas bien conocidas, el defecto observado es esencialmente un compuesto de una sola capa de átomos que sólo emerge en un número limitado de planos atómicos. Debido a la simetría de estos planos, los defectos de diferente orientación casi siempre forman bucles cerrados.
"En realidad hay muchos de esos bucles de defectos en el material, pero es muy difícil observarlos", dijo el primer autor ZHU Feng, que actualmente es estudiante de doctorado de la USTC. "Son visibles sólo a lo largo de ciertas orientaciones. Además, debido a su extremadamente pequeño espesor y a la distracción de otras microestructuras coexistentes, la presencia de estos defectos apenas puede ser notada. Esto podría explicar por qué no han sido reportados hasta ahora."
Se encontró que los defectos observados exhiben una configuración atómica que prohíbe completamente la migración de iones de litio a través de la capa de defectos. Como resultado, cuando tales defectos forman un bucle cerrado, los iones de Li no pueden entrar ni salir del volumen interior, y esta parte del material queda así excluida del transporte iónico global. El volumen aislado de esta manera es tan grande como ~15%, lo que puede llevar a una reducción de 1-2 órdenes de magnitud en la conductividad iónica.
"El bucle de defectos actúa como trampa de Li-ion: evita que los iones de Li dentro del volumen cerrado se escapen", dijo el Prof. MA Cheng de la USTC, el autor principal del estudio. "Como tal, aunque los defectos en sí mismos son sólo de un átomo de espesor, todavía pueden 'matar' volúmenes muy grandes del electrolito sólido, haciéndolos no conductores".
Los científicos acuñaron un término llamado "trampa de una sola capa de átomos" (SALT) para describir esta característica única. Su descubrimiento señala que las características no periódicas distintas de los límites de los granos y los defectos de los puntos también pueden alterar en gran medida el transporte iónico, y que se necesita urgentemente un estudio similar en otros electrolitos sólidos. El revisor de Nature Communications habló muy bien de la importancia científica de este trabajo: "Este fue un manuscrito emocionante de leer, informando sobre una observación muy novedosa." "Yo... esperaría que despierte alguna discusión tanto en el campo de los electrolitos sólidos/baterías de estado sólido como en las comunidades de la ciencia de los materiales y la microscopía electrónica".
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