Cómo el oxígeno intrínseco acorta la vida útil de las pilas de estado sólido
Un nuevo método hace visible la degradación
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Aunque las baterías de estado sólido (SSB) ofrecen un alto rendimiento y son intrínsecamente seguras, su capacidad disminuye rápidamente. Un equipo de la TU Wien, la Humboldt-University Berlin y la HZB ha analizado ahora una semicelda de TiS₂|Li₃YCl₆ de estado sólido in operando en BESSY II utilizando un entorno de muestra especial que permite la investigación no destructiva en condiciones reales de funcionamiento. Los datos obtenidos mediante la combinación de espectroscopia de fotoelectrones de rayos X blandos y duros (XPS y HAXPES) revelaron un nuevo mecanismo de degradación que no se había identificado anteriormente en baterías de estado sólido. Se han obtenido algunos datos sorprendentes, sobre todo en relación con el papel perjudicial que desempeña el oxígeno intrínseco. Este estudio aporta información valiosa para mejorar el diseño y la manipulación de este tipo de baterías.
Las baterías de estado sólido (SSB) ofrecen varias ventajas sobre las baterías convencionales, entre ellas mayores densidades de energía y potencia, así como mayor seguridad, ya que no contienen electrolitos líquidos inflamables. Sin embargo, como los iones de litio migran entre el electrodo de trabajo y el contraelectrodo durante el funcionamiento, el material sólido puede sufrir cambios de volumen, lo que puede provocar grietas. Para mantener el contacto entre los electrodos y el electrolito, las SSB deben funcionar a alta presión. Los cambios de volumen, así como los procesos de degradación en las interfaces, suelen limitar la vida útil de estas baterías. Hasta ahora, ha sido prácticamente imposible observar estos procesos experimentalmente, sobre todo debido a la elevada presión de apilamiento necesaria durante el funcionamiento. Sin embargo, el Dr. Elmar Kataev, científico de HZB, ha desarrollado ahora un entorno de muestras que permite el análisis operando de las SSB a alta presión mediante espectroscopia fotoelectrónica de rayos X de dos colores -blando y duro- (XPS y HAXPES) en la estación final SISSY de BESSY II. Estas condiciones de combinación de dos energías diferentes de rayos X (duros para la sensibilidad de la masa y blandos para la superficie) que inciden en el mismo punto están disponibles exclusivamente en la línea de luz EMIL.
En colaboración con la Dra. Katherine Mazzio, de la Universidad Técnica de Viena, el equipo ha podido distinguir por primera vez entre las reacciones en la superficie y en las interfaces enterradas, y analizar con mayor detalle los mecanismos de degradación de las semicélulas de TiS2|Li3YCl6. Hemos adquirido algunos conocimientos sorprendentes, sobre todo en lo que respecta al papel perjudicial que desempeña el oxígeno intrínseco. Hemos observado que durante el ciclo las especies que contienen oxígeno migran hacia el colector de corriente del cátodo, donde reaccionan con el material del electrodo activo cerca de la interfaz del colector de corriente. Esto da lugar a la formación de una capa amorfa rica en óxidos de titanio. Esta es una de las principales causas de la rápida pérdida de capacidad", afirma Mazzio.
Estos resultados son muy importantes para el futuro desarrollo de los SSB. Esto se debe a que la entrada de oxígeno en las celdas de las baterías debe reducirse o incluso evitarse durante la producción de los materiales constituyentes, priorizando su fabricación en atmósfera de gas inerte.
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