Investigadores del Skoltech Center for Energy Science and Technology (CEST) visualizaron la formación de una interfase de electrolitos sólidos en materiales de electrodos carbonosos de grado de batería utilizando microscopía de fuerza atómica in situ (AFM). Esto ayudará a los investigadores a diseñar y fabricar baterías con mayor rendimiento y durabilidad.

Una interfase de electrolitos sólidos (SEI) es una capa delgada de productos de reducción de electrolitos formados en la superficie de un ánodo de batería de iones de litio durante varios ciclos iniciales. Previene una mayor descomposición de electrolitos, estabilizar la interfaz electrodo / electrolito, y asegura una larga duración de la batería. Hacer una película SEI requiere tiempo y energía, y su calidad gobierna en gran medida el rendimiento y la durabilidad de la batería:un SEI mal formado da como resultado una rápida degradación del rendimiento de la batería.

Todavía, la formación de SEI sigue siendo poco conocida, y los científicos utilizan microscopía de fuerza atómica in situ que permite la observación directa de este proceso. Hasta ahora, la mayoría de estas mediciones se llevaron a cabo en grafito pirolítico altamente orientado (HOPG), una forma de grafito muy pura y ordenada que tiene una superficie plana basal limpia y atómicamente plana. Sin embargo, HOPG es un mal sustituto de los materiales de electrodos de grado de batería reales, por lo que el proceso es significativamente diferente de lo que ocurre dentro de una batería comercial.

Un equipo de Skoltech dirigido por el científico investigador Sergey Luchkin y el profesor Keith Stevenson logró visualizar la formación de SEI en materiales aptos para baterías. Para esto, tuvieron que diseñar una celda electroquímica que permitiera las medidas necesarias para esta observación directa de la formación de SEI.

"Los materiales aptos para baterías son polvos, y visualizar procesos dinámicos en su superficie por AFM, especialmente en un ambiente líquido, es un reto. Un electrodo de batería estándar es demasiado tosco para tales medidas, y las partículas aisladas tienden a desprenderse del sustrato durante la exploración. Para superar este problema, incrustamos las partículas en resina epoxi e hicimos una sección transversal, por lo que las partículas se fijaron firmemente en el sustrato, "dice Luchkin.

Los investigadores encontraron que el SEI en materiales de grado de batería se nucleó a un potencial diferente al de HOPG. También era más de dos veces más grueso y mecánicamente más fuerte. Finalmente, pudieron demostrar que SEI estaba mejor unido a la superficie rugosa del grafito de grado de batería que a la superficie plana de HOPG.

"Las investigaciones resueltas espacialmente de las interfaces e interfases de la batería detalladas en este trabajo proporcionan nuevos conocimientos importantes sobre la estructura y evolución del SEI del ánodo. Por lo tanto, proporcionan pautas firmes para el diseño racional de electrolitos para permitir baterías de alto rendimiento con mayor seguridad, "agrega Stevenson.