01.11.2021 - Osaka Prefecture University

El electrolito sólido tolerante a la oxidación proporciona una alta capacidad energética para el cátodo de Li2S

Las baterías de estado sólido están más cerca de ser una realidad con la creación de un cátodo de sulfuro de litio que contiene un electrolito sólido con alta resistencia a la descomposición

Los recientes avances en materiales que se vienen desarrollando desde los años 80 en la Universidad de la Prefectura de Osaka (OPU) acercan las baterías de estado sólido (ASSB) a la realidad.

Las ASSB utilizan un electrolito sólido (SE) que separa las partes generadoras de energía (cátodos y ánodos) y han atraído la atención como una alternativa más segura y de mayor energía y potencia a los electrolitos líquidos o de gel inflamables que se encuentran en las baterías de iones de litio. Sin embargo, uno de los principales problemas ha sido conseguir densidades de energía de los ASSB que puedan igualar y potencialmente superar las de las baterías de iones de litio.

En trabajos anteriores realizados en la OPU, se produjeron ASSB con un cátodo formado por una solución sólida de sulfuro de litio (Li2S) y yoduro de litio y se descubrió que, durante la carga y la descarga, el yoduro de litio funcionaba como una vía de conducción iónica en el Li2S. Esto dio lugar a una mayor capacidad energética de la batería, lo que sugiere que la clave para aumentar la capacidad se encontraba en la naturaleza del conductor de yoduro de litio.

El equipo se propuso explorar esta relación centrándose en la ventana electroquímica de los SE, algo que se había sobrestimado en cálculos anteriores.

"Comprender la ventana electroquímica práctica de los SE para los cátodos y ánodos permitiría construir interfaces material activo-SE más eficientes y, a su vez, respaldar la investigación futura para aumentar las densidades de energía de los ASSB", afirma el profesor Akitoshi Hayashi.

El profesor Hayashi, junto con un equipo de investigación del Departamento de Química Aplicada de la Facultad de Ingeniería de la OPU, empleó la voltamperometría de barrido lineal para investigar los voltajes de inicio de la oxidación (OOV) de los SE. Descubrieron que los OOVs de los SEs empleados en los ASSBs con electrodos positivos de Li2S deben superar el del Li2S en 0,2 V para conseguir una alta capacidad energética.

"Encontrar la ventana electroquímica aceptable para las cargas de alta capacidad es sólo la mitad de la solución", afirma el profesor asociado Atsushi Sakuda. "El siguiente paso era descargar toda esa energía, lo que dependía de la conductividad iónica del SE".

En este caso, el equipo exploró las estabilidades de oxidación de varias sales de litio y descubrió que el electrodo nanocompuesto compuesto por Li2S y sales de Li-oxiácido pseudobinario, que había sido descubierto por una investigación realizada en 1987 por el actual presidente de la universidad, Masahiro Tatsumisago, mostraba el mejor rendimiento en las baterías de Li2S de estado sólido de las que se tiene noticia. "Desarrollamos un cátodo nanocompuesto basado en Li2S con un SE que tiene tanto resistencia a la descomposición electroquímica como una conductividad iónica relativamente alta", afirma el Dr. Takashi Hakari.

Los conocimientos obtenidos en este estudio permitieron al equipo fabricar un cátodo nanocompuesto de Li2S de gran capacidad utilizando un electrolito sólido con tolerancia a la oxidación. El siguiente paso del equipo de investigación es convertir esta creación en una batería de litio-azufre de estado sólido con el doble de densidad energética que una batería de iones de litio.

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