Cómo se degradan las pilas de estado sólido
¿Qué ocurre durante el funcionamiento?
Las baterías de estado sólido tienen varias ventajas: pueden almacenar más energía y son más seguras que las baterías con electrolitos líquidos. Sin embargo, no duran tanto y su capacidad disminuye con cada ciclo de carga. Pero no tiene por qué seguir siendo así: Los investigadores ya están tras la pista de las causas. En la revista ACS Energy Letters, un equipo de la HZB y la Justus-Liebig-Universität de Giessen presenta un nuevo método para controlar con precisión las reacciones electroquímicas durante el funcionamiento de una batería de estado sólido mediante espectroscopia de fotoelectrones en BESSY II. Los resultados ayudarán a mejorar los materiales y el diseño de las baterías.
Las baterías de estado sólido utilizan un conductor iónico sólido entre los electrodos de la batería en lugar de un electrolito líquido, lo que permite transportar el litio durante la carga y la descarga. Esto tiene ventajas como una mayor seguridad durante el funcionamiento y, en general, una mayor capacidad. Sin embargo, la vida útil de las baterías de estado sólido sigue siendo muy limitada. Esto se debe a que en las interfaces entre el electrolito y el electrodo se forman productos de descomposición e interfases que dificultan el transporte de los iones de litio y provocan el consumo de litio activo, de modo que la capacidad de las baterías disminuye con cada ciclo de carga.
¿Qué ocurre durante el funcionamiento?
Ahora, un equipo dirigido por los investigadores del HZB Dr. Elmar Kataev y Prof. Marcus Bär ha desarrollado un nuevo enfoque para analizar las reacciones electroquímicas en la interfase entre el electrolito sólido y el electrodo con alta resolución temporal. Kataev explica la pregunta de investigación: "¿En qué condiciones y a qué voltaje se producen estas reacciones, y cómo evoluciona la composición química de estas fases intermedias durante el funcionamiento de la célula?".
Examinado el mejor candidato LiPSCl
Para el estudio, analizaron muestras del electrolito sólido Li6PS5Cl, un material que se considera el mejor candidato para las baterías de estado sólido, ya que posee una alta conductividad iónica. Trabajaron en estrecha colaboración con el equipo del profesor Jürgen Janek, experto en baterías de la Universidad Justus Liebig de Giessen (JLU Giessen). Una capa extremadamente fina de níquel (30 capas atómicas o 6 nanómetros) sirvió de electrodo de trabajo. En la otra cara de la pastilla de Li6PS5Clse presionó una película de litio para que actuara como contraelectrodo.
Espectroscopia fotoelectrónica de rayos X duros HAXPES
Para analizar las reacciones interfaciales y la formación de una capa intermedia (SEI) en tiempo real y en función de la tensión aplicada, Kataev utilizó el método de espectroscopia de fotoelectrones de rayos X duros (HAXPES) aprovechando las capacidades analíticas del Laboratorio de Materiales Energéticos In-situ de Berlín (EMIL) en BESSY II: los rayos X inciden sobre la muestra, excitando los átomos allí presentes, y los productos de reacción pueden identificarse a partir de los fotoelectrones emitidos en función de la tensión aplicada a la célula y del tiempo. Los resultados mostraron que las reacciones de descomposición sólo eran parcialmente reversibles.
Perspectivas: Examen de distintos materiales para pilas
"Demostramos que es posible utilizar un colector de corriente ultrafino para estudiar las reacciones electroquímicas en las interfaces enterradas utilizando métodos de caracterización de superficies", afirma Kataev. El equipo del HZB ya ha recibido solicitudes de grupos de investigación de Alemania y del extranjero que también están interesados en este método de caracterización. Como próximo paso, el equipo de HZB quiere ampliar este enfoque e investigar también baterías con electrolitos poliméricos compuestos y una variedad de materiales de ánodo y cátodo.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Burak Aktekin, Elmar Kataev, Luise M. Riegger, Raul Garcia-Diez, Zora Chalkley, Juri Becker, Regan G. Wilks, Anja Henss, Marcus Bär, Jürgen Janek; "Operando Photoelectron Spectroscopy Analysis of Li6PS5Cl Electrochemical Decomposition Reactions in Solid-State Batteries"; ACS Energy Letters, 2024-6-27
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