Aunque actualmente no tienen tanta conductividad, los electrolitos de estado sólido diseñados para baterías de iones de litio LIB están surgiendo como una alternativa más segura a sus contrapartes de electrolitos líquidos más frecuentes, a veces inflamables.
Sin embargo, un nuevo estudio realizado en la fuente de neutrones de espalación del Laboratorio Nacional de Oak Ridge SNS, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía, ha revelado resultados prometedores que podrían aumentar drásticamente el rendimiento de los electrolitos de estado sólido y podrían conducir potencialmentea una batería más segura y aún más eficiente.
Utilizando técnicas de difracción de neutrones a través del instrumento VULCAN, línea 7 del haz SNS, el científico líder en instrumentos Ke An y su equipo concluyeron recientemente un estudio en profundidad que analiza la evolución de toda la estructura de los electrolitos dopados tipo granate durante el proceso de síntesis para desentrañar el mecanismoeso aumenta la conductividad iónica de litio. Sus hallazgos fueron publicados recientemente en las revistas Química de materiales y el Revista de Química de Materiales A .
"La pregunta que queremos responder es cómo podemos correlacionar la estructura del material con su rendimiento", dijo An. "Encontrar una respuesta a esto será muy útil para la comunidad de materiales, particularmente en el campo de los dispositivos electroquímicos como las baterías."
El problema con los electrolitos líquidos, dice An, es que si bien pueden producir altos niveles de conductividad, lo cual es bueno, en algunos casos, se vuelven inflamables bajo altos voltajes o altas temperaturas, haciendo que la batería "explote" --que obviamente es muy malo.
En general, los LIB basados en electrolitos sólidos consisten en dos electrodos, uno positivo y uno negativo, y un electrolito en el medio, formando el núcleo de la batería, lo que facilita el movimiento de los iones que viajan de un lado a otro entre los electrodos.lograr un nivel deseado de conductividad en el electrolito, los iones requieren vacantes en la estructura cristalina, o túneles para que los iones "salten" hacia y desde, algo así como conectar los puntos.
Los zirconatos de lantano de litio, o materiales basados en Li7La3Zr2O12 con una estructura de granate, son favorables para la aplicación como electrolitos porque promueven el transporte rápido de litio. Sin embargo, explicaron, los granates sintetizados a menudo desarrollan fases secundarias de baja conductividad no deseadas, que en algunos casos puedenser perjudicial para el rendimiento electrolítico. Esencialmente, lo que eso significa es que las vacantes útiles para que los iones "salten" no siempre se desarrollan donde los diseñadores lo desean.
Durante la síntesis, se producen innumerables reacciones químicas a medida que el material atraviesa varias fases diferentes, comenzando con la mezcla de productos químicos o materiales, luego recociendo o calentando la estructura para obtener el rendimiento y la consistencia deseados, seguido de un período de enfriamiento en el quela estructura se endurece. Analizar lo que sucede durante cada fase sería casi imposible sin el uso de instrumentos y técnicas especiales.
"No se puede lograr un mejor rendimiento del electrolito sin comprender primero lo que ocurre dentro de la estructura. Necesitamos entender cuáles son los mecanismos que impulsan el proceso de síntesis", dijo el científico de materiales y autor principal Yan Chen, uninvestigador postdoctoral asociado en SNS. "VULCAN nos permite realizar experimentos in situ, visualizando la evolución de la estructura en tiempo real sin perturbar el proceso de síntesis de granate".
Con la ayuda de VULCAN, monitorearon la formación de las fases de baja conductividad durante el proceso térmico y descubrieron que podría mitigarse dopando el material, agregando pequeñas cantidades de varios elementos que tienen valencias altas o una afinidad para crear enlaces,para reducir el efecto. Ser capaz de suprimir la formación de esas fases no deseadas y aumentar el número de vacantes útiles para el transporte de iones resultó ser la clave para desbloquear granates con alto rendimiento electrolítico.
"Al rastrear las vacantes de litio como funciones de temperatura y dopantes, encontramos una regla común que los diferentes dopantes obedecen y cómo redistribuyen las vacantes en el marco de los granates", dijo Chen. "Además, un análisis exhaustivo deLos resultados de la difracción de neutrones revelaron cómo los dopantes sintonizan la cantidad de vacantes, controlan la distribución de vacantes y alteran las vías del portador de carga en electrolitos sólidos ".
Gracias a los experimentos de An y su equipo, los investigadores de materiales ahora tienen un método probado para lograr los mejores resultados en estructuras de granate, resultados que seguramente conducirán a materiales más seguros con ahorros muy necesarios de tiempo y dinero.
"Ahora, cuando las personas miran nuestro trabajo, se les puede orientar sobre cómo lograr una alta conductividad iónica eligiendo el elemento correcto con la valencia correcta en lugar de realizar repetidamente experimentos de prueba y error en cada elemento adicional, trabajo que te lleva muchode tiempo ", dijo An." Ahora podemos darle una fórmula simple para hacerlo, y debería terminar con un mejor material ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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