La carrera por producir de forma segura Las baterías de litio de estado sólido potentes y asequibles se están acelerando y los anuncios recientes sobre la investigación que cambia el juego utilizando un electrolito cerámico sólido no inflamable conocido como granate tienen a algunos en la carrera llamándolo revolucionario.

"Este es un cambio de paradigma en el almacenamiento de energía, "dijo Kelsey Hatzell, profesor asistente de ingeniería mecánica. Un artículo, "El efecto de la conectividad de los poros en la propagación de dendrita de litio en electrolitos LLZO observados con tomografía de rayos X de sincrotrón", que describe su nueva investigación sobre los puntos de falla de un electrolito granate, se publicó en línea en marzo en la revista American Chemical Society. Letras de energía , que fue uno de los artículos de ACS Letters más leídos ese mes.

Las baterías de iones de litio suelen contener un electrolito orgánico líquido que puede incendiarse. El riesgo de incendio se elimina mediante el uso de un electrolito a base de granate no inflamable. Reemplazar los electrolitos líquidos con un sólido orgánico como el granate también reduce potencialmente el costo al aumentar la vida útil de la batería.

"Las baterías de estado sólido son deseables para vehículos totalmente eléctricos y otras aplicaciones donde el almacenamiento de energía y la seguridad son primordiales, "Dijo Hatzell.

El equipo de Hatzell probó a Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂ - Óxido de circonio de litio lantano o LLZO:un material de tipo granate que se muestra muy prometedor para aplicaciones de baterías totalmente de estado sólido debido a su alta conductividad de iones de litio y su compatibilidad con el metal de litio.

"Comprender los mecanismos de falla dentro de estos sistemas de electrolitos es fundamental para diseñar sistemas de electrolitos sólidos resistentes, ", dijo Hatzell." La principal limitación de LLZO es la propensión a eventos de cortocircuito en bajas densidades de corriente ".

El estudio de Hatzell rastrea los cambios estructurales en LLZO después de eventos de carga y descarga realistas utilizando tomografía de rayos X de sincrotrón. Esta técnica permite a los investigadores mirar dentro de la batería y ver características estructurales en 3D con resoluciones submicrónicas.

"La mayoría de las técnicas que obtienen imágenes de litio en un electrolito sólido se realizan de forma destructiva o ex situ utilizando técnicas de microscopía óptica o electrónica de barrido. Probar el material en condiciones más realistas utilizando herramientas de sincrotrón nos permite sondear interfaces enterradas, "dijo Hatzell, cuyos coautores son Fengyu Shen, un becario postdoctoral, y los estudiantes de posgrado Xianghui Xiao y Marm Dixit.

"Hay solo un puñado de sincrotrones y fuentes de neutrones que existen en el mundo. Marm fue uno de los 60 estudiantes graduados seleccionados para la Escuela Nacional de Dispersión de Neutrones y Rayos X de 2017". Como parte de este programa, pasó una semana en Laboratorio Nacional Oak Ridge y una semana en el laboratorio Nacional Argonne, "Dijo Hatzell.

La fuente de fotones avanzada de Argonne y la fuente de neutrones de espalación de ORNL y el reactor de isótopos de alto flujo permiten el estudio a nanoescala de materiales e interacciones avanzados. Dixit pudo trabajar y aprender técnicas de caracterización de sincrotrón de científicos y expertos destacados. El equipo de Hatzell realizó todas sus pruebas en Argonne.

"Estos resultados pueden potencialmente informar el diseño de materiales para la próxima generación de todos los sistemas de baterías de estado sólido. Los resultados concluyeron que la presencia de vacíos o poros conectados condujo a una mayor tasa de fallas, "Dijo Hatzell.

"Si bien aún queda mucha investigación por hacer para llevar los dispositivos de estado sólido al mercado, su promesa para aplicaciones en baterías de alta densidad de energía y aplicaciones de vehículos eléctricos está despertando mucho interés en todo el mundo ".