Pistas para acelerar la comercialización de las baterías de estado sólido
Nuevos hallazgos revelan cómo se degrada el cátodo de las pilas de estado sólido cuando funcionan a baja presión
A menudo denominadas las "baterías de los sueños", las baterías totalmente de estado sólido son la próxima generación de baterías que muchos fabricantes compiten por sacar al mercado. A diferencia de las baterías de iones de litio, que utilizan un electrolito líquido, todos los componentes, incluidos el electrolito, el ánodo y el cátodo, son sólidos, lo que reduce el riesgo de explosión, y tienen una gran demanda en mercados que van desde los automóviles hasta los sistemas de almacenamiento de energía (ESS). Sin embargo, los dispositivos que mantienen la alta presión (decenas de MPa) necesaria para el funcionamiento estable de las baterías totalmente de estado sólido presentan problemas que reducen el rendimiento de la batería, como la densidad energética y la capacidad, y deben resolverse para su comercialización.
El Dr. Hun-Gi Jung y su equipo del Centro de Investigación de Almacenamiento de Energía del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (KIST) han identificado los factores de degradación que provocan un rápido deterioro de la capacidad y acortan la vida útil de las baterías de estado sólido cuando funcionan a presiones similares a las de las baterías de iones de litio. A diferencia de estudios anteriores, los investigadores confirmaron por primera vez que la degradación puede producirse tanto dentro como fuera del cátodo, lo que demuestra que en el futuro las baterías de estado sólido podrán funcionar de forma fiable incluso en entornos de baja presión.
En las baterías totalmente de estado sólido, el cátodo y el ánodo sufren un cambio de volumen durante las repetidas cargas y descargas, lo que provoca una degradación interfacial como la reacción lateral y la pérdida de contacto entre los materiales activos y los electrolitos sólidos, que aumentan la resistencia interfacial y empeoran el rendimiento de la célula. Para resolver este problema, se utilizan dispositivos externos para mantener una presión elevada, pero esto tiene el inconveniente de reducir la densidad energética al aumentar el peso y el volumen de la batería. Recientemente se está investigando el interior de la pila de estado sólido para mantener el rendimiento de la pila incluso en entornos de baja presión.
El equipo de investigación analizó la causa de la degradación del rendimiento haciendo funcionar repetidamente una batería de estado sólido tipo moneda con un electrolito sólido a base de sulfuro en un entorno de baja presión de 0,3 MPa, similar al de una batería de iones de litio tipo moneda. Tras 50 ciclos de carga y descarga, el volumen de la capa de NCM del cátodo se había multiplicado por dos y el análisis de imágenes transversales confirmó que se habían producido grietas graves entre el material activo del cátodo y el electrolito sólido. Esto reveló recientemente que, además de la pérdida de contacto interfacial, el agrietamiento del material del cátodo y la transformación irreversible de la fase catódica son las causas de la degradación en el funcionamiento a baja presión.
Además, tras sustituir el litio del cátodo por un isótopo (6Li) para distinguirlo del litio presente en el electrolito sólido, el equipo utilizó la espectrometría de masas de iones secundarios de tiempo de vuelo (TOF-SIMS) para identificar por primera vez el mecanismo por el que el consumo de litio en el cátodo contribuye a la reducción global de la capacidad de la célula. Durante los repetidos ciclos de carga y descarga, el azufre, un producto descompuesto del electrolito sólido, infundió las grietas del material del cátodo para formar sulfuro de litio, un subproducto que no es conductor. Esto agotó los iones de litio activos y promovió la transformación de fase del cátodo, reduciendo la capacidad de las baterías de estado sólido.
Al identificar claramente la causa de la degradación de las baterías de estado sólido en entornos operativos de baja presión, estos métodos analíticos proporcionan una pista para resolver el problema de las pobres características de ciclado en comparación con las baterías de iones de litio convencionales. Si se resuelve este problema, se espera poder asegurar la rentabilidad de las baterías totalmente de estado sólido eliminando los dispositivos auxiliares externos, que han sido una de las principales causas del aumento de los costes de producción.
"Para la comercialización de las baterías de estado sólido, es esencial desarrollar nuevos materiales para cátodos y ánodos que puedan funcionar en un entorno sin presión o de baja presión, en lugar del actual entorno presurizado", afirma el Dr. Hun-Gi Jung, del KIST. "Cuando se apliquen baterías de estado totalmente sólido que funcionen a baja presión a aplicaciones a media y gran escala, como los vehículos eléctricos, habrá que aprovechar al máximo las instalaciones de fabricación de baterías de iones de litio ya establecidas."
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Publicación original
Hyeon‐Ji Shin, Jun Tae Kim, A‐Yeon Kim, Namgyu Noh, Jungjae Park, Chang Reung Park, Seungho Yu, Hyoungchul Kim, Kyung Yoon Chung, Jong Min Yuk, Seung‐Taek Myung, Hun‐Gi Jung; "New Consideration of Degradation Accelerating of All‐Solid‐State Batteries under a Low‐Pressure Condition"; Advanced Energy Materials, Volume 13, 2023-8-17
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