Usando tomografía de rayos X, un equipo de investigación ha observado la evolución interna de los materiales dentro de las baterías de litio de estado sólido a medida que se cargan y descargan. La información tridimensional detallada de la investigación podría ayudar a mejorar la confiabilidad y el rendimiento de las baterías, que utilizan materiales sólidos para reemplazar los electrolitos líquidos inflamables en las baterías de iones de litio existentes.

Las imágenes de microtomografía computarizada de rayos X operando sincrotrón revelaron cómo los cambios dinámicos de los materiales de los electrodos en las interfaces de litio / electrolito sólido determinan el comportamiento de las baterías de estado sólido. Los investigadores encontraron que el funcionamiento de la batería provocaba la formación de vacíos en la interfaz, lo que creó una pérdida de contacto que fue la principal causa de falla en las celdas.

"Este trabajo proporciona una comprensión fundamental de lo que sucede dentro de la batería, y esa información debería ser importante para orientar los esfuerzos de ingeniería que acercarán estas baterías a la realidad comercial en los próximos años, "dijo Matthew McDowell, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff y en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto de Tecnología de Georgia. "Pudimos comprender exactamente cómo y dónde se forman los vacíos en la interfaz, y luego relacionarlo con el rendimiento de la batería ".

La investigación, apoyado por la National Science Foundation, una beca de investigación Sloan, y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, se informará el 28 de enero en la revista Materiales de la naturaleza .

Las baterías de iones de litio que ahora se usan ampliamente para todo, desde dispositivos electrónicos móviles hasta vehículos eléctricos, dependen de un electrolito líquido para transportar iones de un lado a otro entre los electrodos dentro de la batería durante los ciclos de carga y descarga. El líquido recubre uniformemente los electrodos, permitiendo el libre movimiento de los iones.

En cambio, la tecnología de batería de estado sólido de rápida evolución utiliza un electrolito sólido, lo que debería ayudar a aumentar la densidad de energía y mejorar la seguridad de las futuras baterías. Pero la eliminación de litio de los electrodos puede crear vacíos en las interfaces que causan problemas de confiabilidad que limitan la duración de las baterías.

"Para contrarrestar esto, Podrías imaginar la creación de interfaces estructuradas a través de diferentes procesos de deposición para tratar de mantener el contacto a través del proceso cíclico. McDowell dijo. "El control y la ingeniería cuidadosos de estas estructuras de interfaz serán muy importantes para el futuro desarrollo de baterías de estado sólido". y lo que aprendimos aquí podría ayudarnos a diseñar interfaces ".

El equipo de investigación de Georgia Tech, dirigido por el primer autor y estudiante de posgrado Jack Lewis, construyó celdas de prueba especiales de aproximadamente dos milímetros de ancho que fueron diseñadas para ser estudiadas en la Fuente de Fotones Avanzada, una instalación de sincrotrón en el Laboratorio Nacional de Argonne, una instalación de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. ubicada cerca de Chicago. Cuatro miembros del equipo estudiaron los cambios en la estructura de la batería durante un período de cinco días de experimentos intensivos.

"El instrumento toma imágenes desde diferentes direcciones, y los reconstruye utilizando algoritmos informáticos para proporcionar imágenes en 3-D de las baterías a lo largo del tiempo, McDowell dijo. "Hicimos esta imagen mientras estábamos cargando y descargando las baterías para visualizar cómo cambiaban las cosas dentro de las baterías mientras funcionaban".

Porque el litio es tan ligero, obtener imágenes con rayos X puede ser un desafío y requiere un diseño especial de las celdas de la batería de prueba. La tecnología utilizada en Argonne es similar a la que se utiliza para la tomografía computarizada (TC) médica. "En lugar de imaginar a las personas, estábamos imaginando baterías, " él dijo.

Debido a las limitaciones en las pruebas, los investigadores solo pudieron observar la estructura de las baterías a través de un solo ciclo. En el trabajo futuro, A McDowell le gustaría ver qué sucede en ciclos adicionales, y si la estructura se adapta de alguna manera a la creación y llenado de vacíos. Los investigadores creen que los resultados probablemente se aplicarían a otras formulaciones de electrolitos, y que la técnica de caracterización podría usarse para obtener información sobre otros procesos de la batería.

Los paquetes de baterías para vehículos eléctricos deben resistir al menos mil ciclos durante un período proyectado de 150, 000 millas de vida útil. Si bien las baterías de estado sólido con electrodos de metal de litio pueden ofrecer más energía para un tamaño de batería determinado, esa ventaja no superará a la tecnología existente a menos que puedan proporcionar tiempos de vida comparables.

"Estamos muy entusiasmados con las perspectivas tecnológicas de las baterías de estado sólido, ", Dijo McDowell." Hay un interés comercial y científico sustancial en esta área, y la información de este estudio debería ayudar a que esta tecnología avance hacia amplias aplicaciones comerciales ".