Baterías totalmente de estado sólido, un diseño de batería compuesto por todos los componentes sólidos, han ganado atención como el próximo gran avance más allá de las baterías de iones de litio debido a su potencial para almacenar más energía y al mismo tiempo ser más seguro de operar. Cuando pueda producirse en cantidades comerciales, Las baterías de estado sólido revolucionarían los vehículos eléctricos (EV) aumentando de manera efectiva el rango de conducción o disminuyendo significativamente el volumen y el peso.

Sin embargo, las baterías de estado sólido pueden fallar después de un ciclo (carga y descarga repetidas) a corrientes prácticas, que ha sido una de las barreras que ha impedido su comercialización masiva.

En un nuevo artículo publicado por Materiales de la naturaleza , titulado "La corriente crítica de extracción conduce a la formación de dendrita en el revestimiento en celdas de electrolitos sólidos de ánodo de litio, "Los investigadores de la Institución Faraday de la Universidad de Oxford han dado un paso adelante en la comprensión de los mecanismos por los cuales fallan las baterías de estado sólido, un requisito previo necesario para evitar tales fallas.

Las dendritas son redes ramificadas de litio que crecen a través del sólido, cerámico, electrolito durante la carga de una batería, provocando un cortocircuito.

"Esta investigación se suma a nuestro conocimiento fundamental de por qué las baterías de estado sólido se comportan de la manera en que lo hacen. Creemos que nuestra mejor comprensión ayudará a informar los enfoques para evitar algunos de los problemas en el ánodo de metal de litio en las celdas de electrolitos sólidos, "comentó el profesor Peter G. Bruce de los Departamentos de Materiales y Química de la Universidad de Oxford e investigador principal del proyecto SOLBAT de la Institución Faraday, cuyo equipo dirigió la investigación.

La creación de vacíos en el ánodo de las células de estado sólido ha sido reconocida desde hace mucho tiempo, pero su papel en la formación de dendrita no se ha entendido. El estudio utiliza una combinación de técnicas electroquímicas y de imágenes de vanguardia para formar una comprensión fundamental de la formación de vacíos como una función del ciclo y su papel en las dendritas y la falla celular.

Significativamente, los parámetros en el modelo de falla se correlacionan con propiedades físicas clave que podrían usarse como "palancas" para suprimir la formación de huecos y la falla celular.

"Es clave derribar las barreras científicas que impiden la progresión al mercado de tecnologías que permitirán nuestra visión del futuro de la movilidad. El estudio de investigadores de Oxford es un ejemplo temprano de un avance científico para el que se creó la Institución Faraday conducir, "dijo Tony Harper, Director del ISCF Faraday Battery Challenge en UK Research &Innovation.

La investigación:importancia de la densidad de corriente crítica en el stripping

Un desafío bien reconocido al que se enfrentan los científicos que estudian las baterías de estado sólido es prevenir el crecimiento de dendrita a medida que las baterías se alternan entre un estado cargado y descargado (como tendrían que hacer repetidamente si se usaran para alimentar vehículos eléctricos).

Otro problema importante es la formación de huecos entre el electrolito sólido y el ánodo de litio (electrodo cargado negativamente) durante la extracción (descarga de una batería), lo que conduce a un área de contacto reducida entre esas dos partes de la celda de la batería.

Es difícil separar el revestimiento de litio del decapado utilizando un experimento con una celda de batería que contiene los dos electrodos habituales. En este estudio, los investigadores utilizaron celdas de tres electrodos para estudiar por separado los procesos de enchapado y decapado de metal de litio en la interfaz de metal de litio / cerámica en el ciclo de la batería. Argirita, Li6PS5Cl, fue elegido como el electrolito sólido. Dichos sulfuros tienen una conductividad más alta que los óxidos y están siendo perseguidos como el electrolito de elección por varias empresas que intentan comercializar baterías de estado sólido. La argirodita tiene la ventaja de ser menos frágil que otros sulfuros altamente conductores.

Los investigadores encontraron que si se debe evitar la formación de dendrita en las celdas de batería totalmente de estado sólido, Es vital hacer que las celdas estén por debajo de la densidad de corriente crítica a la que comienzan a formarse huecos en la interfaz de metal de litio / electrolito sólido durante la extracción de litio (CCS). Este es el caso incluso cuando la densidad de corriente está por debajo del umbral para la formación de dendrita en el recubrimiento. Cuando la densidad de corriente es mayor que CCS, los vacíos se acumulan en el ciclismo, el área de contacto de litio / electrolito sólido disminuye en consecuencia y, como resultado, la densidad de corriente local aumenta hasta que alcanza un valor en el que se forman dendritas en el recubrimiento, provocando un cortocircuito y una falla de la celda. Puede tomar varios ciclos, pero la investigación demuestra que la falla celular es inevitable si la densidad de corriente general es mayor que la CCS. Estos resultados muestran que no es solo la densidad de corriente para la formación de dendrita lo que es importante para lograr el ciclo de células totalmente en estado sólido a densidades de corriente prácticas; Las corrientes de arrastre también son importantes.

Los investigadores también concluyen que la fluencia del metal de litio es el mecanismo principal de transporte de metal de litio en la interfaz.

El equipo que trabajó en este descubrimiento incluyó una mezcla de teóricos y experimentales, en el tipo de entorno de investigación multidisciplinar que fomenta la Institución Faraday.

Los premios del desarrollo de una batería comercial totalmente de estado sólido para vehículos eléctricos

Pequeña, no recargable, las baterías de estado sólido están creciendo en uso comercial, por ejemplo, en implantes médicos como la monitorización cardíaca. Sin embargo, Sigue habiendo desafíos considerables asociados con la fabricación de baterías de estado sólido a la escala requerida para su uso en vehículos eléctricos, y garantizar que dichos dispositivos funcionen de forma segura y con niveles de rendimiento aceptables durante la vida útil del vehículo eléctrico.

Las baterías de iones de litio que se utilizan actualmente en los vehículos eléctricos contienen un electrolito líquido orgánico inflamable, a través del cual pasan los iones de litio portadores de carga durante la carga y descarga de la batería. Este líquido presenta un problema de seguridad inherente (aunque bien administrado). El reemplazo del electrolito líquido por un sólido eliminaría este riesgo de incendio.

En todo el mundo, Se está realizando un esfuerzo científico significativo para desarrollar nuevas químicas de batería que logren el rendimiento de la batería (densidad de potencia y densidad de energía) que brinden una experiencia de conducción de vehículos eléctricos alineada con las expectativas de conducir automóviles con motores de combustión interna. La eliminación de la necesidad de un electrolito líquido sería un requisito previo para desarrollar baterías con un ánodo de metal de litio, lo que podría desbloquear importantes mejoras de rendimiento.