La tomografía muestra el alto potencial de las baterías de estado sólido de sulfuro de cobre

Procesos de carga y descarga observados

30.11.2022 - Alemania

Las baterías de estado sólido permiten densidades de energía aún mayores que las de iones de litio con una gran seguridad. Un equipo dirigido por el profesor Philipp Adelhelm y el doctor Ingo Manke consiguió observar una batería de estado sólido durante su carga y descarga y crear imágenes en 3D de alta resolución. Esto demostró que el agrietamiento puede reducirse eficazmente mediante una mayor presión.

Las baterías de estado sólido (SSB) se consideran actualmente una prometedora tecnología de baterías del futuro. En comparación con las actuales baterías de iones de litio, que se utilizan en teléfonos móviles, ordenadores portátiles y vehículos eléctricos, las SSB podrían alcanzar densidades de energía aún mayores y una mayor seguridad. Por eso, además de los institutos de investigación, todas las grandes empresas de automoción están investigando esta tecnología. La principal característica de esta tecnología es que los electrolitos líquidos altamente inflamables de las baterías de iones de litio se sustituyen por un sólido. Por tanto, toda la batería está formada únicamente por "materiales sólidos", de ahí el nombre de batería de estado sólido. Para fabricar una batería de este tipo, hay que prensar juntos diferentes materiales (ánodo, cátodo y electrolito) a alta presión.

Investigadores del Helmholtz-Zentrum Berlin y Hereon, de la Humboldt-Universität zu Berlin y del Instituto Federal de Investigación y Ensayo de Materiales han logrado observar los procesos que tienen lugar en una batería de estado sólido durante la carga y la descarga. El equipo dirigido por el profesor Philipp Adelhelm y el doctor Ingo Manke investigó el comportamiento del sulfuro de cobre, un mineral natural, como cátodo de una batería de estado sólido. El litio se utilizó como ánodo. Una característica especial de la batería es que se forman grandes cristalitos de cobre durante la descarga. La formación de grandes cristalitos permite una investigación detallada de la reacción mediante tomografía de rayos X. Así, la reacción de (des)carga pudo ser trazada en 3D y por primera vez se pudo seguir el movimiento de las partículas del cátodo dentro de la batería. Además, se demostró que el agrietamiento puede reducirse eficazmente con una mayor presión. "Para las complejas mediciones, tuvimos que hacer algunas concesiones y llevar a cabo muchos experimentos de referencia", explican los doctores Zhenggang Zhang y Kang Dong, primeros autores conjuntos de la publicación. "Sin embargo, los resultados proporcionan una visión detallada del funcionamiento interno de una batería de estado sólido y muestran cómo se pueden mejorar sus propiedades".

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Publicación original

Zhenggang Zhang, Kang Dong, Katherine A. Mazzio, André Hilger, Henning Markötter, Fabian Wilde, Tobias Heinemann, Ingo Manke, Philipp Adelhelm; Phase Transformation and Microstructural Evolution of CuS Electrodes in Solid-State Batteries Probed by in-situ 3D X-ray Tomography; Advanced Energy Materials (2022)

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