La investigación en Sandia National Laboratories ha identificado un obstáculo importante para avanzar en el rendimiento de la batería de iones de litio de estado sólido en la electrónica pequeña: el flujo de iones de litio a través de las interfaces de la batería.
El proyecto de investigación y desarrollo dirigido por laboratorio de Sandia de tres años investigó la química a nanoescala de las baterías de estado sólido, centrándose en la región donde los electrodos y los electrolitos hacen contacto. La mayoría de las baterías comerciales de iones de litio contienen un electrolito líquido y dos electrodos sólidos, pero sólidos-en cambio, las baterías de estado tienen una capa sólida de electrolito, lo que les permite durar más y funcionar con mayor seguridad.
"El objetivo subyacente del trabajo es hacer que las baterías de estado sólido sean más eficientes y mejorar las interfaces entre los diferentes materiales", dijo el físico de Sandia Farid El Gabaly. "En este proyecto, todos los materiales son sólidos; not tienen una interfaz líquido-sólido como en las baterías tradicionales de iones de litio ".
La investigación se publicó en a Nano letras artículo titulado "Non-Faradaic Li + Migration and Chemical Coordination across Solid-State Battery Interfaces". Los autores incluyen al científico postdoctoral de Sandia Forrest Gittleson y El Gabaly. El trabajo fue financiado por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio, con fondos suplementarios dela Oficina de Ciencias del Departamento de Energía.
El Gabaly explicó que en cualquier batería de litio, el litio debe viajar de un electrodo a otro cuando se carga y descarga. Sin embargo, la movilidad de los iones de litio no es la misma en todos los materiales y las interfaces entre los materiales sonun gran obstáculo.
El Gabaly compara el trabajo con averiguar cómo hacer que el tráfico se mueva rápidamente a través de una intersección concurrida.
"Para nosotros, estamos tratando de reducir el atasco en el cruce entre dos materiales", dijo.
El Gabaly comparó la interfaz electrodo-electrolito con una cabina de peaje o fusión en una autopista.
"Básicamente estamos eliminando los peajes en efectivo y diciendo que todos deben pasar por la vía rápida, por lo que está suavizando o eliminando las ralentizaciones", dijo. "Cuando mejora el proceso en la interfaz, tiene el derechoinfraestructura para que los vehículos pasen con facilidad. Aún hay que pagar, pero es más rápido y más controlado que las personas que buscan monedas en la guantera ".
Hay dos interfaces importantes en las baterías de estado sólido, explicó, en la unión cátodo-electrolito y en la unión electrolito-ánodo. Cualquiera de las dos podría estar dictando los límites de rendimiento de una batería llena.
Gittleson agrega: "Cuando identificamos uno de estos cuellos de botella, preguntamos: '¿Podemos modificarlo?' Y luego intentamos cambiar la interfaz y hacer que los procesos químicos sean más estables con el tiempo".
interés de Sandia en las baterías de estado sólido
El Gabaly dijo que Sandia está interesada en la investigación principalmente porque las baterías de estado sólido son de bajo mantenimiento, confiables y seguras. Los electrolitos líquidos son típicamente reactivos, volátiles y altamente inflamables y son una de las principales causas de fallas en las baterías comerciales. Eliminar el componente líquido puedehacer que estos dispositivos funcionen mejor.
"Nuestro enfoque no fue en baterías grandes, como en vehículos eléctricos", dijo El Gabaly. "Fue más para electrónica pequeña o integrada".
Dado que el laboratorio de Sandia en California no llevó a cabo una investigación sobre baterías de estado sólido, el proyecto primero construyó las bases para crear prototipos de baterías y examinar interfaces.
"Este tipo de caracterización no es trivial porque las interfaces que nos interesan tienen solo unas pocas capas atómicas de espesor", dijo Gittleson. "Usamos rayos X para investigar la química de esas interfaces enterradas, viendo solo unas pocasnanómetros de material. Aunque es un desafío diseñar experimentos, hemos tenido éxito en sondear esas regiones y relacionar la química con el rendimiento total de la batería ".
Procesando la investigación
La investigación se realizó utilizando materiales que se han utilizado en baterías de estado sólido de prueba de concepto anteriores.
"Dado que estos materiales no se producen en una escala comercial masiva, necesitábamos poder fabricar dispositivos completos en el sitio", dijo El Gabaly. "Buscamos métodos para mejorar las baterías insertando o cambiando las interfaces en variosformas o intercambio de materiales. "
El trabajo utilizó deposición por láser pulsado y espectroscopia fotoelectrónica de rayos X combinada con técnicas electroquímicas. Esto permitió una deposición a muy pequeña escala ya que las baterías son delgadas e integradas en una oblea de silicio.
"Con este método, podemos diseñar la interfaz hasta el nivel nanométrico o incluso subnanométrico", dijo Gittleson, y agregó que se crearon cientos de muestras.
Construir baterías de esta manera permitió a los investigadores obtener una visión precisa de cómo se ve esa interfaz porque los materiales se pueden ensamblar de manera controlable.
La siguiente fase de la investigación es mejorar el rendimiento de las baterías y ensamblarlas junto con otras tecnologías Sandia.
"Ahora podemos comenzar a combinar nuestras baterías con LED, sensores, antenas pequeñas o cualquier cantidad de dispositivos integrados", dijo El Gabaly. "Aunque estamos contentos con el rendimiento de nuestra batería, siempre podemos intentar mejorarlo más".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Sandia National Laboratories . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :