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Hoy en día, muchos actores importantes, así como nuevas empresas, participan activamente en la industria de los vehículos eléctricos y compiten por desarrollar baterías más seguras y eficientes. Un tipo de batería que ha recibido mayor atención últimamente son las baterías de estado sólido. Además de las baterías de iones de litio, utilizan un electrolito sólido, lo que permite omitir un componente separador que se utiliza para mantener separados el electrodo positivo y el electrodo negativo.
Las baterías de estado sólido se consideran una alternativa más segura a las baterías de iones de litio porque no necesitan el electrolito líquido inflamable que se requiere en las baterías de iones de litio tradicionales. Esto reduce en gran medida el riesgo de incendio. Además, son más ligeras que las baterías tradicionales, tienen un tiempo de carga más corto y se espera que permitan a los vehículos eléctricos recorrer distancias más largas. Sin embargo, si bien las baterías de estado sólido han demostrado ser un candidato prometedor en términos de rendimiento, su vida útil puede ser más corta que la de las baterías convencionales, ya que eventualmente pueden formar grietas y necesitar ser reemplazadas.

Para abordar este problema, los científicos del Laboratorio Nacional de Argonne han iniciado ( 2023 ) un estudio centrado en un grupo de electrolitos llamados argiroditas, una clase de electrolitos de estado sólido que contienen azufre. Las argiroditas tienen varias ventajas sobre otros electrolitos de estado sólido. Están dotados de una mayor conductividad iónica y pueden transportar iones rápidamente a través de una batería. Esto, a su vez, puede permitir una velocidad de carga más rápida para los vehículos eléctricos. Las argiroditas también son más fáciles y económicas de procesar para convertirlas en gránulos utilizados en las baterías.

Las argiroditas, sin embargo, son difíciles de fabricar. Son muy reactivos con el aire y, por tanto, manipularlos en una planta de producción de baterías puede resultar complicado. Además, reaccionan fácilmente con otros materiales de electrodos como el litio. Cuando ocurren estas reacciones, producen sustancias químicas que reducen la calidad de las interfaces electrolito/electrodo. Las reacciones también pueden inhibir el movimiento de los iones de litio, reducir el rendimiento de la batería y provocar dendritas, estructuras de litio en forma de agujas que disminuyen la seguridad y la duración de la batería.

Por lo tanto, los investigadores querían desarrollar un nuevo método que permitiera diseñar con precisión la química de la superficie de la argirodita. Eligieron el proceso atómico de deposición de capas comúnmente utilizado en la industria de producción de chips y lo adaptaron a sus propósitos. Este método de recubrimiento utiliza vapores químicos que reaccionan con la superficie de un material sólido para formar una película delgada.

Mediante la deposición de capas atómicas, el electrolito de argirodita se recubrió en forma de polvo. El polvo se calentó y se expuso a vapor de agua y trimetil aluminio, produciendo una fina capa de alúmina (óxido de aluminio) sobre todas las partículas individuales del electrolito. Además, se empleó una técnica de caracterización llamada espectroscopia de absorción de rayos X para garantizar que el recubrimiento no alterara la estructura química de la argirodita subyacente. Esto implicó disparar el material con rayos X de sincrotrón y medir la transmisión y absorción de los rayos X en el material.

Además, los investigadores utilizaron dos técnicas para determinar que los recubrimientos se adaptaban bien a los contornos de las partículas de electrolitos individuales. La primera técnica, llamada microscopía electrónica de transmisión de barrido, creó imágenes de la estructura del material utilizando un haz de electrones enfocado.

La segunda técnica, conocida como espectroscopia de rayos X de dispersión de energía, evaluó los elementos del material detectando los rayos X emitidos por los electrones utilizados en la técnica de microscopía electrónica de transmisión de barrido. Los investigadores también descubrieron que los recubrimientos reducían drásticamente la reactividad del polvo con el aire.

En el siguiente paso, los investigadores prensaron los polvos recubiertos para formar bolitas y las instalaron en una celda de batería a escala de laboratorio con un ánodo (electrodo negativo) hecho de litio metálico. Cargaron y descargaron repetidamente esta batería, así como otra batería fabricada con electrolitos sin recubrimiento, comparando su rendimiento.

Durante muchos años, los científicos han intentado mejorar la eficiencia de las baterías de estado sólido para convertirlas en un actor competitivo en los mercados globales. En 2023 , los científicos buscaron formas de mejorar las vías de transporte de iones de litio mediante un electrolito sólido. Utilizaron el coeficiente de atenuación de neutrones significativamente más alto de uno de los isótopos estables de litio más abundantes, el ⁶Li, para su ventaja y realizaron imágenes de neutrones en una batería de litio-azufre de estado sólido construida expresamente. Al utilizar un mayor contenido de ⁶Li en el ánodo y emplear litio natural en el separador de electrolito sólido y el cátodo, se mejoró el contraste, lo que ayudó a discernir, durante la descarga inicial, cuáles de los iones de litio móviles se difundieron a través de la celda desde el ánodo y cuáles. estaban contenidos inicialmente en el electrolito sólido. Como los neutrones son sensibles a los diferentes isótopos de litio, la radiografía de neutrones operando reveló la difusión de iones de litio a través de la célula, mientras que la tomografía de neutrones in situ pudo presentar la distribución de los iones de litio atrapados dentro de la célula en estados cargados y descargados.

Image: a) Representation of the cell setup for neutron imaging, with cell composition displayed in the expanded regions. b) Radiography images showing neutron attenuation for a cell where the Li–In anode is enriched with ⁶Li (top) and one where all Li is the naturally occurring isotopic mix (bottom). The images are displayed within the same contrast range and show a cell in the pristine state. c) Plots displaying the cross‐section of the median neutron attenuation (Σmedian) across the images displayed in (b)

Source: Robert Bradbury, Nikolay Kardjilov, Georg F. Dewald, Alessandro Tengattini/ Visualizing Lithium Ion Transport in Solid‐State Li–S Batteries Using Li Contrast Enhanced Neutron Imaging/ Advanced Functional Materials 33(38), June 2023/ DOI:10.1002/adfm.202302619/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

También en 2023 , los científicos utilizaron simulaciones de dinámica molecular a gran escala para estudiar y revelar las vías atomísticas y las barreras energéticas de la cristalización del litio en las interfaces sólidas. Se descubrió que la cristalización del litio toma vías de múltiples pasos mediadas por átomos de litio interfaciales con configuraciones desordenadas y empaquetadas aleatoriamente como pasos intermedios, lo que causó la barrera energética de la cristalización. Esto permitió que la aplicabilidad de la regla de los pasos de Ostwald, es decir, la formación de estructuras polimorfas, se extendiera a los estados interfaciales de los átomos, y permitió una estrategia racional para la cristalización de barrera inferior mediante la promoción de estados atómicos interfaciales favorables como pasos intermedios a través de la ingeniería interfacial.

Image: A schematic of multiple-step pathways of Li crystallization The Li⁺ (orange, anion shown in red) in solid electrolytes (SE) goes through disordered-Li (cyan) and/or rHCP (random hexagonal close-packed)-Li (green) in the interfacial Li layer at the SE interface, and transforms into the crystalline BCC (body-centered cubic)-Li metal (blue)

Source: Menghao Yang, Yunsheng Liu, Yifei Mo/ Lithium crystallization at solid interfaces/ Nature Communications 14(1), May 2023/ DOI:10.1038/s41467-023-38757-2/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Recubrir el electrolito en baterías de estado sólido tiene varias ventajas: el equipo descubrió que disminuía significativamente la reactividad del electrolito con el ánodo de litio. También redujo la velocidad a la que los electrones se escapan del electrolito. Esto es importante porque se cree que la fuga de electrones da lugar a reacciones que pueden formar dendritas. En conjunto, los beneficios del recubrimiento pueden aumentar significativamente la cantidad de veces que una batería de estado sólido puede cargarse y descargarse antes de que su rendimiento comience a degradarse. Los científicos creen que el recubrimiento permite que el electrolito haga un mejor contacto con el ánodo. También observaron un beneficio inesperado del recubrimiento: podría duplicar la conductividad iónica del electrolito.

La finalización exitosa del estudio es una gran contribución a la promoción de la tecnología de baterías de estado sólido. La técnica de recubrimiento se puede utilizar con diferentes electrolitos y recubrimientos, lo que podría generar una amplia gama de diferentes tipos de baterías de estado sólido.

Por el consejo editorial