Las baterías de estado sólido, un nuevo diseño de batería que utiliza todos los componentes sólidos, han llamado la atención en los últimos años debido a su potencial para retener mucha más energía y al mismo tiempo evitar los desafíos de seguridad de sus contrapartes de base líquida.

Pero construir una batería de estado sólido de larga duración es más fácil de decir que de hacer. Ahora, Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han utilizado la tomografía computarizada (TC) de rayos X para visualizar en tiempo real cómo se forman las grietas cerca de los bordes de las interfaces entre los materiales de las baterías. Los hallazgos podrían ayudar a los investigadores a encontrar formas de mejorar los dispositivos de almacenamiento de energía.

"Las baterías de estado sólido podrían ser más seguras que las baterías de iones de litio y podrían contener más energía, que sería ideal para vehículos eléctricos e incluso aviones eléctricos, "dijo Matthew McDowell, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff y en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales. "Tecnológicamente, es un campo que se mueve muy rápido, y hay muchas empresas interesadas en esto ".

En una batería de iones de litio típica, La energía se libera durante la transferencia de iones de litio entre dos electrodos, un cátodo y un ánodo, a través de un electrolito líquido.

Para el estudio, que fue publicado el 4 de junio en la revista Letras de energía ACS y fue patrocinado por la National Science Foundation, El equipo de investigación construyó una batería de estado sólido en la que se intercalaba un disco de cerámica sólida entre dos piezas de litio sólido. El disco de cerámica reemplazó al típico electrolito líquido.

"Descubrir cómo hacer que estas piezas sólidas encajen y se comporten bien durante largos períodos de tiempo es el desafío, ", Dijo McDowell." Estamos trabajando en cómo diseñar estas interfaces entre estas piezas sólidas para que duren el mayor tiempo posible ".

En colaboración con Christopher Saldana, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff en Georgia Tech y experto en imágenes de rayos X, los investigadores colocaron la batería bajo un microscopio de rayos X y la cargaron y descargaron, buscando cambios físicos indicativos de degradación. Lentamente en el transcurso de varios días, un patrón en forma de red de grietas formado por todo el disco.

Esas grietas son el problema y ocurren junto con el crecimiento de una capa de interfase entre el metal de litio y el electrolito sólido. Los investigadores encontraron que esta fractura durante el ciclo provoca resistencia al flujo de iones.

"Estas son reacciones químicas no deseadas que ocurren en las interfaces, McDowell dijo. La gente generalmente ha asumido que estas reacciones químicas son la causa de la degradación de la célula. Pero lo que aprendimos al hacer estas imágenes es que en este material en particular, no son las reacciones químicas en sí mismas las que son malas, no afectan el rendimiento de la batería. Lo malo es que la celda se fractura, y eso destruye el rendimiento de la célula ".

Resolver el problema de la fracturación podría ser uno de los primeros pasos para desbloquear el potencial de las baterías de estado sólido. incluida su alta densidad energética. Es probable que el deterioro observado afecte a otros tipos de baterías de estado sólido, los investigadores anotaron, por lo que los hallazgos podrían conducir al diseño de interfaces más duraderas.

"En baterías normales de iones de litio, los materiales que usamos definen cuánta energía podemos almacenar, "Dijo McDowell." El litio puro puede contener más, pero no funciona bien con electrolitos líquidos. Pero si pudiera usar litio sólido con un electrolito sólido, ese sería el santo grial de la densidad de energía ".