Cuello de botella identificado: investigadores descubren la causa de los largos tiempos de carga de las baterías de estado sólido
Baterías de litio-azufre de estado sólido: Los neutrones revelan la lentitud del transporte de carga
Las baterías de litio-azufre de estado sólido ofrecen la posibilidad de obtener densidades de energía mucho mayores y una mayor seguridad, en comparación con las baterías de iones de litio convencionales. Sin embargo, el rendimiento de las baterías de estado sólido es actualmente deficiente, siendo la lentitud de carga y descarga una de las causas principales. Ahora, un nuevo estudio de HZB demuestra que la lentitud del transporte de iones de litio dentro de un cátodo compuesto es la causa de esta lentitud de carga y descarga.
Imágenes de tomografía tridimensional del estado descargado (arriba) y del estado recargado (centro), así como de la diferencia entre ambos (abajo), mostrando dónde se encuentran los iones de litio móviles (verde).
© HZB
Los científicos diseñaron una célula especial para observar el transporte de iones de litio entre el ánodo y el cátodo en una batería de litio-azufre de estado sólido. Dado que el litio apenas puede detectarse con métodos de rayos X, los físicos de HZB Dr. Robert Bradbury y Dr. Ingo Manke examinaron la célula de muestra con neutrones, que son extremadamente sensibles al litio. Junto con el Dr. Nikolay Kardjilov, del HZB, utilizaron métodos de radiografía de neutrones y tomografía de neutrones en el instrumento CONRAD2 de la fuente de neutrones berlinesa BER II. También participaron en el trabajo grupos de Giessen (JLU), Braunschweig (TUBS) y Jülich (FZJ).
Iones de litio observados directamente
"Ahora tenemos una idea mucho más clara de lo que limita el rendimiento de la batería", afirma Bradbury: "Vemos por los datos de la radiografía de neutrones operando que hay un frente de reacción de iones de litio propagándose por el cátodo compuesto que confirma la influencia negativa de una baja conductividad iónica efectiva". Además, las imágenes de tomografía de neutrones 3D muestran litio atrapado concentrado cerca del colector de corriente durante la recarga. "Esto provoca una disminución de la capacidad porque sólo parte del litio se transporta de vuelta cuando se carga la batería".
La distribución de litio observada se ajustaba perfectamente a un modelo basado en la teoría de los electrodos porosos: "Lo que observamos aquí en los datos de imágenes de neutrones se correlaciona bien con las condiciones de conductividad electrónica e iónica relevantes del modelo", afirma Bradbury.
Identificación del cuello de botella
Estos resultados desvelan un cuello de botella en el desarrollo de las baterías de estado sólido que hasta ahora se había pasado por alto, y demuestran que existen limitaciones en los compuestos catódicos debido a la lentitud del transporte iónico. El reto consiste ahora en acelerar el transporte de iones dentro del compuesto catódico. "Sin la visualización directa del frente de reacción dentro del compuesto catódico, este efecto podría haber pasado desapercibido, a pesar de su importancia para el desarrollo de las baterías de estado sólido", afirma Bradbury.
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