11.01.2022 - Tokyo Institute of Technology

Los científicos reducen la resistencia de las baterías de estado sólido calentándolas

Valiosos conocimientos sobre la fabricación de baterías de estado sólido de alto rendimiento

Las baterías de estado sólido están ahora un paso más cerca de convertirse en la central eléctrica de la próxima generación, ya que los investigadores del Tokyo Tech, el AIST y la Universidad de Yamagata han introducido una estrategia para restaurar su baja resistencia eléctrica. También exploran el mecanismo de reducción subyacente, allanando el camino para una comprensión más fundamental del funcionamiento de las baterías de litio de estado sólido.

Las baterías de litio en estado sólido se han convertido en la nueva moda de la ciencia y la ingeniería de materiales, ya que las baterías de iones de litio convencionales ya no pueden cumplir los estándares de las tecnologías avanzadas, como los vehículos eléctricos, que exigen altas densidades de energía, carga rápida y ciclos de vida largos. Las baterías de estado sólido, que utilizan un electrolito sólido en lugar del electrolito líquido de las baterías tradicionales, no sólo cumplen estas normas, sino que son comparativamente más seguras y cómodas, ya que tienen la posibilidad de cargarse en poco tiempo.

Sin embargo, el electrolito sólido conlleva su propio reto. Resulta que la interfaz entre el electrodo positivo y el electrolito sólido presenta una gran resistencia eléctrica cuyo origen no se conoce bien. Además, la resistencia aumenta cuando la superficie del electrodo se expone al aire, lo que degrada la capacidad y el rendimiento de la batería. Aunque se han hecho varios intentos para reducir la resistencia, ninguno ha conseguido bajarla a 10 Ω cm2 (ohmios centímetro-cuadrado), el valor de resistencia de la interfaz reportado cuando no se expone al aire.

Ahora, en un estudio reciente publicado en ACS Applied Materials & Interfaces, un equipo de investigación dirigido por el profesor Taro Hitosugi, del Instituto Tecnológico de Tokio (Tokyo Tech), en Japón, y Shigeru Kobayashi, estudiante de doctorado en Tokyo Tech, puede haber resuelto finalmente este problema. Al establecer una estrategia para restablecer la baja resistencia de la interfaz y desentrañar el mecanismo subyacente a esta reducción, el equipo ha aportado valiosas ideas para la fabricación de baterías de estado sólido de alto rendimiento. El estudio fue el resultado de una investigación conjunta de Tokyo Tech, el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST) y la Universidad de Yamagata.

Para empezar, el equipo preparó unas baterías de película fina compuestas por un electrodo negativo de litio, un electrodo positivo de LiCoO2 y un electrolito sólido de Li3PO4. Antes de completar la fabricación de una batería, el equipo expuso la superficie de LiCoO2 al aire, nitrógeno (N2), oxígeno (O2), dióxido de carbono (CO2), hidrógeno (H2) y vapor de agua (H2O) durante 30 minutos.

Para su sorpresa, descubrieron que la exposición a N2, O2,CO2 y H2 no degradaba el rendimiento de la batería en comparación con una batería no expuesta. "Sólo el vapor de H2O degrada fuertemente la interfaz Li3PO4 - LiCoO2 y aumenta su resistencia drásticamente hasta un valor más de 10 veces superior al de la interfaz no expuesta", dice el profesor Hitosugi.

A continuación, el equipo llevó a cabo un proceso denominado "recocido", en el que la muestra se sometió a un tratamiento térmico a 150°C durante una hora en forma de batería, es decir, con el electrodo negativo depositado. Sorprendentemente, esto redujo la resistencia a 10,3 Ω cm2, ¡comparable a la de la batería no expuesta!

Mediante la realización de simulaciones numéricas y mediciones de vanguardia, el equipo reveló entonces que la reducción podía atribuirse a la eliminación espontánea de protones del interior de la estructura de LiCoO2 durante el recocido.

"Nuestro estudio demuestra que los protones de la estructura de LiCoO2 desempeñan un papel importante en el proceso de recuperación. Esperamos que la elucidación de estos procesos microscópicos interfaciales ayude a ampliar el potencial de aplicación de las baterías de estado sólido", concluye el profesor Hitosugi.

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.

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