En una batería de semiconductores, el litio metálico reactivo (azul) puede coexistir de forma estable con un electrolito sólido llamado LiPON (amarillo) cuando se forma una interfase (verde) con un espesor de unos 70 átomos. Fuente: Jill Hemman/ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.
Los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía fueron los primeros en utilizar la reflectometría de neutrones para observar el interior de una batería de estado sólido en funcionamiento y monitorear su electroquímica. Descubrieron que su excelente rendimiento se debía a la capa extremadamente delgada sobre la cual los átomos de litio cargados fluían rápidamente, pasando del ánodo al cátodo y mezclándose en un electrolito sólido.
“Queremos mejores baterías”, dijo Andrew Westover de ORNL, quien codirigió el estudio publicado en Listas de energía ACS con James Browning en el laboratorio Spallation Neutron Source. “Esto significa una mayor densidad de energía, menores costos, una carga de batería más rápida y segura y una vida útil más larga”.
Las baterías recargables se basan en litio, un pequeño átomo de metal que se empaqueta firmemente en un ánodo cargado negativamente para maximizar la densidad de energía. Sin embargo, el litio es inestable con la mayoría de los electrolitos, un factor en la inflamabilidad de las baterías de teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y vehículos eléctricos que usan electrolitos líquidos.
“Para resolver el problema de la inflamabilidad, queremos cambiar a electrolitos sólidos”, dijo Westover.
Ingrese al oxinitruro de fósforo y litio, o LiPON, un electrolito sólido inventado en ORNL hace casi 30 años. “Nunca se ha entendido por qué funciona tan bien”, dijo Westover. “Queremos que lo que funciona con LiPON funcione a una escala mucho mayor. Pero primero tenemos que entenderlo”.
El trabajo anterior ha demostrado que la interfase de electrolito sólido (SEI), la capa que se forma para proteger y estabilizar una batería de estado sólido, es clave para su capacidad de cargarse y descargarse repetidamente. En este caso, la interfase es un gradiente químico que consiste en una capa rica en litio cuyo contenido de litio disminuye a medida que se mezcla en LiPON puro.
“En una batería normal, se forma una interfase entre el electrolito y el electrodo de trabajo”, dijo Browning. “Con el tiempo, a medida que cicla la batería y la descarga, este material puede cambiar de composición y espesor”.
“Si tiene un buen SEI, su batería está funcionando. Si tiene el SEI incorrecto, no funciona”, dijo Westover. “La razón por la cual la capacidad de la batería de su teléfono celular está disminuyendo lentamente año tras año es porque el SEI se expande y desgasta el electrolito en la batería de base líquida”.
Sin embargo, en una batería de estado sólido basada en LiPON, se forma una capa delgada de SEI que pasiva el litio, lo que lo hace no reactivo y no crece como el SEI en una batería tradicional.
Los científicos combinaron la reflectometría de neutrones con la electroquímica para medir por primera vez esta interfaz estable entre LiPON y litio. Tenía solo 7 nanómetros de espesor. “Con este estudio, encontramos que la capa formada tiene un grosor de unos 70 átomos”, dijo Westover. “Este trabajo demuestra que es posible crear interfaces en baterías de estado sólido que sean delgadas y brinden un excelente rendimiento”.
Esta pequeña escala y el estado sólido de los materiales llevaron a los científicos a utilizar neutrones para observar el interior de la batería. “Antes del descubrimiento de los rayos X, era imposible mirar debajo de la piel para ver los huesos dentro del cuerpo. Tenías que cortar la piel”, dijo Westover. “Hasta ahora, la mayoría de la gente ha utilizado este enfoque para estudiar las interfases en las baterías. En este caso, la escala es demasiado pequeña para cortar cualquier cosa. Necesitábamos una herramienta que nos permitiera caminar a través del material, explorar a esta escala de manera no destructiva y comprender lo que sucede en la fase interfacial. Ahí es donde entró la reflectometría de neutrones”.
Browning agregó: “Estamos interesados en la eficiencia de la batería, por lo que necesitamos una forma de observar el interior mientras hace su trabajo, operando en una escala de longitud que es importante para el funcionamiento del dispositivo, para estudiar la estabilidad, la duración”. término ciclicidad, etc. Dado que los neutrones interactúan débilmente, podemos llevarlos al punto que queremos explorar sin ninguna perturbación y luego, lo que es más importante, traerlo de vuelta para que podamos determinar qué sucedió en el lugar de interés: la interfase es la cosa .”
La combinación de reflectometría de neutrones y electroquímica ha acelerado la comprensión de la interfaz entre el litio metálico y los electrolitos sólidos en las baterías de semiconductores.
“Esta combinación de técnicas nos abre la puerta para observar todo el espectro de materiales electrolíticos de estado sólido y determinar cuáles permitirán la carga rápida de baterías de alta energía”, dijo Westover. “Ya comenzamos la versión 2.0 en la que observamos un tipo diferente de electrolito sólido y comenzamos a comprender cómo se ven”.
Y agregó: “Hay que inventar nuevos materiales que tengan esta estabilidad”. De ello dependerá el diseño de las futuras baterías de alto rendimiento.
Más información:
Katie L. Browning et al., Medición in situ de interfaces electrolito-electrodo enterradas para baterías de semiconductores con precisión de nivel nanométrico, Listas de energía ACS (2023). DOI: 10.1021/acsenergylett.3c00488