Una nueva investigación en la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis es la primera en mostrar que un electrolito de estado sólido es similar a los electrolitos líquidos, lo cual es una buena noticia para diseñar dispositivos más seguros y eficientes. baterías de estado sólido basado en un conocimiento mecanicista confiable.
Células de electrolito sólido de cerámica (formas rectangulares verticales) con dendritas (las estructuras oscuras parecidas a relámpagos dentro de los rectángulos) que crecen dentro de ellas desde abajo hacia arriba. Estos electrolitos sólidos flotan en un líquido (charco azul) que representa un electrolito líquido. Los reflejos de los electrolitos sólidos en el líquido azul, particularmente las dendritas oscuras, muestran la similitud en el proceso de iniciación de las dendritas tanto en el líquido como en el sólido. Crédito de la imagen: Rajeev Gopal/Bai lab
“Nuestros resultados revelan similitudes sorprendentes entre los electrolitos líquidos y sólidos, y eso nos permite tomar prestadas algunas ideas de los electrolitos líquidos exitosos para ayudar a nuestro diseño de electrolitos sólidos”, dijo. peng baiprofesor asistente de ingeniería energética, ambiental y química.
«Antes de nuestro trabajo, los electrolitos sólidos, al menos los cerámicos que estudiamos aquí, se consideraban claramente diferentes de sus contrapartes líquidas».
Las baterías alimentan gran parte de nuestras vidas, por lo que encontrar nuevas mejoras tendrá un impacto social drástico, dijo Bai.
Una ruta prometedora es el desarrollo de una batería de estado sólido completa. Un componente clave es el electrolito en el centro de la batería que permite el movimiento de iones entre los electrodos.
Pengbai. Crédito de la imagen: Universidad de Washington en St. Louis
Aquí, el electrolito líquido usado tradicionalmente se reemplaza con un sólido y se acopla a un electrodo de metal. Esto aumenta la cantidad de energía almacenada y conduce a una batería potencialmente más segura.
Sin embargo, un número cada vez mayor de informes sobre baterías de estado sólido cuentan la historia de una barrera clave, la densidad de corriente crítica (CCD), más allá de la cual crecen pequeñas estructuras en forma de árbol llamadas dendritas, lo que provoca fallas en la batería. Estos CCD informados son relativamente bajos, lo que dificulta la carga rápida y compromete un mayor desarrollo de las baterías de estado sólido.
“El CCD de electrolitos de estado sólido es un misterio. Estamos trabajando para revelar por qué existe, cuál es su verdadera física y cómo cambia bajo diferentes condiciones operativas”, dijo Bai, el investigador principal de este proyecto y autor correspondiente del artículo publicado el 12 de abril en Cartas de energía de ACS.
“Nuestro descubrimiento muestra que la magnitud de CCD está relacionada con el grosor del electrolito sólido, similar a la corriente limitante en los electrolitos líquidos que se sabe que dependen del grosor”, dijo.
«Si puede hacer que el electrolito sólido sea lo suficientemente delgado, podemos evitar este problema de CCD y, por lo tanto, evitar el crecimiento de dendritas y los cortocircuitos internos».
Rajeev Gopal, estudiante de doctorado en el laboratorio de Bai y primer autor del artículo. Crédito de la imagen: Universidad de Washington en St. Louis
Las innovaciones experimentales involucradas en este estudio incluyen tomar un gránulo estándar, un pequeño disco circular completamente densificado mediante la sinterización controlada de polvos cerámicos, y cortarlo con precisión en múltiples piezas más pequeñas. A continuación, las piezas se ensayaron mediante una técnica electroanalítica diferente a las habituales.
“Estas muestras de niños del mismo sedimento madre eran casi idénticas”, dijo Bai. «Probar cientos de estas muestras en miniatura idealmente consistentes hizo que los resultados que obtuvimos fueran más confiables y las estadísticas más significativas».
Rajeev Gopal, estudiante de doctorado en el laboratorio de Bai y primer autor del artículo, dijo que este estudio puede marcar una verdadera diferencia.
“Nuestro trabajo puede arrojar luz sobre el misterioso fenómeno de la iniciación de dendritas en el CCD”, dijo Gopal. “Las tendencias estadísticas que revelamos aquí ayudarán a predecir y, en última instancia, mitigar este tipo de crecimiento, aumentando la viabilidad de estos electrolitos en las baterías del mundo real”.
Fuente: Universidad de Washington en St. Louis
