Los investigadores descifran el código de las baterías de estado sólido

Desde los vehículos eléctricos hasta los auriculares inalámbricos, las baterías tradicionales de iones de litio impulsan nuestra vida cotidiana, ya que se cargan rápidamente y almacenan mucha energía. Sin embargo, dependen de una solución conocida como electrolito líquido, que puede incendiarse si se daña o sobrecalienta.

Investigadores de la Universidad de Missouri podrían tener una solución. El profesor adjunto Matthias Young y su equipo están descubriendo cómo utilizar electrolitos sólidos en lugar de líquidos o geles para fabricar baterías de estado sólido, más seguras y eficientes desde el punto de vista energético.

"Cuando el electrolito sólido entra en contacto con el cátodo, reacciona y forma una capa interfásica de unos 100 nanómetros de grosor, 1.000 veces menor que la anchura de un cabello humano", explica Young, que trabaja conjuntamente en la Facultad de Ingeniería y la Facultad de Artes y Ciencias de Mizzou. "Esta capa impide que los iones de litio y los electrones se muevan con facilidad, aumentando la resistencia y perjudicando el rendimiento de la batería".

Comprender este problema de las baterías de estado sólido y cómo resolverlo lleva más de una década preocupando a los científicos.

El equipo de Young abordó el problema comprendiendo mejor la raíz del problema.

Mediante microscopía electrónica de transmisión y barrido en cuatro dimensiones (4D STEM), los investigadores examinaron la estructura atómica de la batería sin desmontarla, un avance revolucionario en este campo. Este novedoso proceso les permitió adquirir una comprensión fundamental de las reacciones químicas que tienen lugar en el interior de las baterías, determinando finalmente que la capa interfásica era la culpable.

Una posible solución

Desde los vehículos eléctricos hasta los auriculares inalámbricos, las baterías tradicionales de iones de litio impulsan nuestra vida cotidiana, ya que se cargan rápidamente y almacenan mucha energía. Sin embargo, dependen de una solución conocida como electrolito líquido, que puede incendiarse si se daña o sobrecalienta.

Investigadores de la Universidad de Missouri podrían tener una solución. El profesor adjunto Matthias Young y su equipo están descubriendo cómo utilizar electrolitos sólidos en lugar de líquidos o geles para fabricar baterías de estado sólido, más seguras y eficientes desde el punto de vista energético.

"Cuando el electrolito sólido entra en contacto con el cátodo, reacciona y forma una capa interfásica de unos 100 nanómetros de grosor, 1.000 veces menor que la anchura de un cabello humano", explica Young, que trabaja conjuntamente en la Facultad de Ingeniería y la Facultad de Artes y Ciencias de Mizzou. "Esta capa impide que los iones de litio y los electrones se muevan con facilidad, aumentando la resistencia y perjudicando el rendimiento de la batería".

Comprender este problema de las baterías de estado sólido y cómo resolverlo lleva más de una década preocupando a los científicos.

El equipo de Young abordó el problema comprendiendo mejor la raíz del problema.

Mediante microscopía electrónica de transmisión y barrido en cuatro dimensiones (4D STEM), los investigadores examinaron la estructura atómica de la batería sin desmontarla, un avance revolucionario en este campo. Este novedoso proceso les permitió adquirir una comprensión fundamental de las reacciones químicas que tienen lugar en el interior de las baterías, determinando finalmente que la capa interfásica era la culpable.

Una posible solución

El laboratorio de Young está especializado en películas finas formadas por un proceso de deposición en fase de vapor conocido como deposición oxidativa de capas moleculares (oMLD). Ahora se propone comprobar si los materiales de película fina de su laboratorio pueden formar revestimientos protectores que impidan que los materiales sólidos del electrolito y el cátodo reaccionen entre sí.

"Los recubrimientos tienen que ser lo bastante finos para evitar las reacciones, pero no tan gruesos como para bloquear el flujo de iones de litio", explica. "Nuestro objetivo es mantener las características de alto rendimiento de los materiales sólidos del electrolito y el cátodo. Nuestro objetivo es utilizar estos materiales juntos sin sacrificar su rendimiento en aras de la compatibilidad."

Este enfoque cuidadosamente diseñado a nanoescala ayudará a garantizar que estos materiales funcionen juntos a la perfección, haciendo que las baterías de estado sólido estén un paso más cerca de la realidad.

El artículo "Understanding Cathode-Electrolyte Interphase Formation in Solid State Li-Ion Batteries via 4D-STEM" se publicó en Advanced Energy Materials. Los coautores son Nikhila C. Paranamana, Andreas Werbrouck, Amit K. Datta y Xiaoqing He, de Mizzou.

El laboratorio de Young está especializado en películas finas formadas por un proceso de deposición en fase de vapor conocido como deposición oxidativa de capas moleculares (oMLD). Ahora quiere comprobar si los materiales de película fina de su laboratorio pueden formar revestimientos protectores que impidan que los materiales sólidos del electrolito y el cátodo reaccionen entre sí.

"Los recubrimientos tienen que ser lo bastante finos para evitar las reacciones, pero no tan gruesos como para bloquear el flujo de iones de litio", explica. "Nuestro objetivo es mantener las características de alto rendimiento de los materiales sólidos del electrolito y el cátodo. Nuestro objetivo es utilizar estos materiales juntos sin sacrificar su rendimiento en aras de la compatibilidad."

Este enfoque cuidadosamente diseñado a nanoescala ayudará a garantizar que estos materiales funcionen juntos a la perfección, haciendo que las baterías de estado sólido estén un paso más cerca de la realidad.