Las baterías de estado sólido se cargan y descargan en hardware hecho a medida diseñado en Georgia Tech. Se utilizó una versión más pequeña y modificada de la celda que se muestra aquí para obtener imágenes de estos materiales durante el ciclismo. Crédito: Matthew McDowell, Georgia Tech

Mediante tomografía de rayos X, un equipo de investigación ha observado la evolución interna de los materiales dentro de las baterías de litio de estado sólido a medida que se cargan y descargan. La información tridimensional detallada de la investigación podría ayudar a mejorar la confiabilidad y el rendimiento de las baterías, que utilizan materiales sólidos para reemplazar los electrolitos líquidos inflamables en las baterías de iones de litio existentes.

Las imágenes de microtomografía computarizada de rayos X de sincrotrón operando revelaron cómo los cambios dinámicos de los materiales de los electrodos en las interfaces de litio / electrolito sólido determinan el comportamiento de las baterías de estado sólido. Los investigadores encontraron que el funcionamiento de la batería provocó la formación de vacíos en la interfaz, lo que creó una pérdida de contacto que fue la causa principal de falla en las celdas.

"Este trabajo proporciona una comprensión fundamental de lo que está sucediendo dentro de la batería, y esa información debería ser importante para guiar los esfuerzos de ingeniería que acercarán estas baterías a la realidad comercial en los próximos años", dijo Matthew McDowell, profesor asistente en George W. Woodruff School of Mechanical Engineering y la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto de Tecnología de Georgia. "Pudimos entender exactamente cómo y dónde se forman los vacíos en la interfaz, y luego relacionarlo con el rendimiento de la batería".

La investigación, apoyada por la National Science Foundation, una beca de investigación Sloan y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, se publicará el 28 de enero en la revista Nature Materials.

Las baterías de iones de litio que ahora se usan ampliamente para todo, desde dispositivos electrónicos móviles hasta vehículos eléctricos, dependen de un electrolito líquido para transportar iones entre los electrodos dentro de la batería durante los ciclos de carga y descarga. El líquido recubre uniformemente los electrodos, permitiendo el libre movimiento de los iones.

En su lugar, la tecnología de baterías de estado sólido de rápida evolución utiliza un electrolito sólido, que debería ayudar a aumentar la densidad de energía y mejorar la seguridad de las baterías futuras. Pero la eliminación de litio de los electrodos puede crear vacíos en las interfaces que causan problemas de confiabilidad que limitan la duración de las baterías.

Una vista tridimensional de la interfaz de litio/electrolito sólido dentro de la batería reconstruida con tomografía de rayos X. Crédito: Matthew McDowell, Georgia Tech

"Para contrarrestar esto, podría imaginarse la creación de interfaces estructuradas a través de diferentes procesos de deposición para tratar de mantener el contacto a través del proceso de ciclo", dijo McDowell. "El control y la ingeniería cuidadosos de estas estructuras de interfaz serán muy importantes para el futuro desarrollo de baterías de estado sólido, y lo que aprendimos aquí podría ayudarnos a diseñar interfaces".

El equipo de investigación de Georgia Tech, dirigido por el primer autor y estudiante de posgrado Jack Lewis, construyó celdas de prueba especiales de aproximadamente dos milímetros de ancho que fueron diseñadas para ser estudiadas en Advanced Photon Source, una instalación de sincrotrón en Argonne National Laboratory, ubicado cerca de Chicago. Cuatro miembros del equipo estudiaron los cambios en la estructura de la batería durante un período de cinco días de experimentos intensivos.

"El instrumento toma imágenes de diferentes direcciones y las reconstruye usando algoritmos de computadora para proporcionar imágenes en 3-D de las baterías a lo largo del tiempo", dijo McDowell. "Hicimos estas imágenes mientras estábamos cargando y descargando las baterías para visualizar cómo cambiaban las cosas dentro de las baterías mientras funcionaban".

Debido a que el litio es tan liviano, obtener imágenes con rayos X puede ser un desafío y requiere un diseño especial de las celdas de la batería de prueba. La tecnología utilizada en Argonne es similar a la que se utiliza para la tomografía computarizada (TC) médica. "En lugar de tomar imágenes de las personas, estábamos imaginando baterías", dijo.

Debido a las limitaciones en las pruebas, los investigadores solo pudieron observar la estructura de las baterías a través de un solo ciclo. En trabajos futuros, a McDowell le gustaría ver qué sucede en ciclos adicionales y si la estructura se adapta de alguna manera a la creación y llenado de vacíos. Los investigadores creen que los resultados probablemente se aplicarían a otras formulaciones de electrolitos y que la técnica de caracterización podría usarse para obtener información sobre otros procesos de la batería.

Los paquetes de baterías para vehículos eléctricos deben resistir al menos mil ciclos durante una vida útil proyectada de 240.000 kilómetros. Si bien las baterías de estado sólido con electrodos de metal de litio pueden ofrecer más energía para un tamaño de batería determinado, esa ventaja no superará la tecnología existente a menos que puedan proporcionar una vida útil comparable.

"Estamos muy entusiasmados con las perspectivas tecnológicas de las baterías de estado sólido", dijo McDowell. "Existe un interés comercial y científico sustancial en esta área, y la información de este estudio debería ayudar a avanzar esta tecnología hacia aplicaciones comerciales más amplias".

Más información: Linking void and interphase evolution to electrochemistry in solid-state batteries using operando X-ray tomography, Nature Materials (2021). DOI: 10.1038/s41563-020-00903-2, www.nature.com/articles/s41563-020-00903-2

Información de la revista: Nature Materials