Los neutrones observan el interior de una batería de estado sólido en funcionamiento para descubrir la clave del éxito

Los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía fueron los primeros en utilizar reflectometría de neutrones para mirar dentro de un trabajo de Estado sólido batería y controlar su electroquímica. Descubrieron que su excelente rendimiento se debe a una capa extremadamente delgada, a través de la cual los átomos de litio cargados fluyen rápidamente a medida que se mueven del ánodo al cátodo y se mezclan en un electrolito sólido.

En una batería de estado sólido, el metal de litio reactivo (azul) puede coexistir de manera estable con un electrolito sólido llamado LiPON (amarillo) cuando se forma una interfase (verde), de unos 70 átomos de espesor. Crédito de la imagen: Jill Hemman/ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.

“Queremos mejores baterías”, dijo Andrew Westover de ORNL, quien codirigió un estudio publicado en Cartas de energía de ACS con James Browning en la fuente de neutrones por espalación del laboratorio. “Eso significa más densidad de energía, menor costo, carga de batería más rápida y segura y una vida más larga”.

Las baterías recargables se basan en litio, un pequeño átomo de metal que se empaqueta firmemente en el 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 solucionar el problema de la inflamabilidad, queremos cambiar a electrolitos sólidos”, dijo Westover.

Introduzca oxinitruro de fósforo y litio, o LiPON, un electrolito sólido inventado en ORNL hace casi 30 años. “Nunca se ha entendido por qué funciona realmente bien”, dijo Westover. “Queremos hacer que lo que funciona con LiPON funcione a una escala mucho mayor. Pero tenemos que entenderlo primero”.

El trabajo anterior mostró que la interfase de electrolito sólido, o SEI, una capa que se forma para proteger y estabilizar la batería de estado sólido, es clave para su capacidad de carga y descarga 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, mientras realiza un ciclo de una batería, la carga y la descarga, ese material puede cambiar en composición y grosor”.

“Si tienes un buen SEI, tu batería funciona. Si tiene un SEI malo, no lo tiene”, dijo Westover. “La razón por la que la capacidad de la batería de su teléfono celular disminuye lentamente año tras año es porque su SEI se está expandiendo y consumiendo su electrolito en la batería de base líquida”.

Sin embargo, en una batería de estado sólido basada en LiPON, se forma una fina capa de SEI para pasivar el litio, haciéndolo no reactivo y no crece como el SEI en una batería tradicional.

Los científicos combinaron la reflectometría de neutrones con la electroquímica para medir esta interfase estable entre LiPON y litio por primera vez. Era tan delgado como 7 nanómetros. “Descubrimos con este estudio que la capa formada tiene un grosor de unos 70 átomos”, dijo Westover. “Este trabajo muestra que es posible hacer interfaces en baterías de estado sólido que sean delgadas y brinden un excelente rendimiento”.

Esa pequeña escala más el estado sólido de los materiales llevó a los investigadores a usar neutrones para mirar dentro de la batería. “Antes del descubrimiento de los rayos X, no se podía mirar debajo de la piel para ver los huesos dentro de un cuerpo. Tenías que cortar la piel”, dijo Westover. “Hasta ahora, ese ha sido básicamente el enfoque que la mayoría de la gente ha usado para observar las interfases en las baterías. En este caso, la escala es demasiado pequeña para cortar algo. Necesitábamos una herramienta que nos permitiera atravesar el material, probarlo de manera no destructiva a esa escala y comprender lo que sucede en la interfase. Ahí es donde entró la reflectometría de neutrones”.

Browning agregó: «Estamos interesados ​​en el rendimiento de una batería, por lo que necesitamos una forma de mirar dentro mientras está funcionando, operando en una escala de longitud que es importante para el funcionamiento del dispositivo, para explorar la estabilidad, a largo plazo». ciclabilidad, etc. Debido a que los neutrones interactúan débilmente, podemos llevarlos al punto que queremos probar sin ninguna interferencia y luego, lo que es más importante, sacarlos para que podamos determinar qué sucedió en el lugar de interés: la interfase en este caso.»

El acoplamiento de la reflectometría de neutrones con la electroquímica aceleró la comprensión de la interfase entre el litio metálico y los electrolitos sólidos en las baterías de estado sólido.

“Esta combinación de técnicas nos abre la puerta para observar todo el espectro de materiales de electrolitos de estado sólido y determinar cuáles permitirán que sus baterías de alta energía se carguen rápidamente”, dijo Westover. «Ya comenzamos la versión 2.0, en la que observamos un tipo diferente de electrolitos sólidos y comenzamos a comprender cómo se ven».

Añadió: “Es necesario inventar nuevos materiales que tengan esta estabilidad”. De ello dependerá el diseño de futuras baterías de alto rendimiento.

El título del trabajo es “In situ Medición de interfaces electrolito-electrodo enterrados para baterías de estado sólido con precisión de nivel nanométrico”.

El trabajo fue financiado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE para la Oficina de Tecnologías de Vehículos. Esta investigación utilizó recursos en SNS, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE operada por ORNL.

UT-Battelle administra ORNL para la Oficina de Ciencias del DOE, el mayor patrocinador individual de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para mayor información por favor visite energía.gov/ciencia.

Fuente: Laboratorio Nacional de Oak Ridge