El profesor Ma Cheng de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) y sus colaboradores propusieron una estrategia eficaz para abordar el problema del contacto electrodo-electrolito que está limitando el desarrollo de baterías de litio de estado sólido de próxima generación. El electrodo compuesto sólido-sólido creado de esta manera exhibió capacidades y rendimientos de velocidad excepcionales.

Reemplazar el electrolito líquido orgánico en las baterías de iones de litio convencionales con electrolitos sólidos puede aliviar en gran medida los problemas de seguridad. y potencialmente romper el "techo de cristal" para mejorar la densidad de energía. Sin embargo, Los materiales de los electrodos convencionales también son sólidos. Dado que el contacto entre dos sólidos es casi imposible de ser tan íntimo como el de un sólido y un líquido, en la actualidad, las baterías basadas en electrolitos sólidos exhiben típicamente un contacto deficiente electrodo-electrolito y rendimientos insatisfactorios de celda completa.

"El problema del contacto electrodo-electrolito de las baterías de estado sólido es algo así como la duela más corta de un barril de madera, "dijo el profesor Ma Cheng de la USTC, el autor principal del estudio. "Realmente, A lo largo de estos años, los investigadores ya han desarrollado muchos electrodos excelentes y electrolitos sólidos, pero el mal contacto entre ellos sigue limitando la eficiencia del transporte de iones de litio ".

Afortunadamente, La estrategia de Ma puede superar este formidable desafío. El estudio comenzó con el examen átomo por átomo de una fase de impureza en un prototipo, electrolito sólido con estructura de perovskita. Aunque la estructura cristalina difiere mucho entre la impureza y el electrolito sólido, se observó que formaban interfaces epitaxiales. Después de una serie de análisis estructurales y químicos detallados, Los investigadores descubrieron que la fase de impurezas es isoestructural con los electrodos en capas ricos en Li de alta capacidad. Es decir, un prototipo de electrolito sólido puede cristalizar en la "plantilla" formada por la estructura atómica de un electrodo de alto rendimiento, resultando en interfaces atómicamente íntimas.

"Esto es realmente una sorpresa, "dijo el primer autor Li Fuzhen, quien actualmente es estudiante de posgrado de la USTC. "La presencia de impurezas en el material es en realidad un fenómeno muy común, tan común que la mayoría de las veces serán ignorados. Sin embargo, después de mirarlos de cerca, descubrimos este comportamiento epitaxial inesperado, e inspiró directamente nuestra estrategia para mejorar el contacto sólido-sólido ".

Aprovechando el fenómeno observado, los investigadores cristalizaron intencionalmente el polvo amorfo con la misma composición que el electrolito sólido con estructura de perovskita en la superficie de un compuesto en capas rico en Li, y realizó con éxito un contacto perfecto entre estos dos materiales sólidos en un electrodo compuesto. Con el problema del contacto electrodo-electrolito resuelto, tal electrodo compuesto sólido-sólido entregó una capacidad de velocidad incluso comparable a la de un electrodo compuesto sólido-líquido. Más importante, Los investigadores también encontraron que este tipo de contacto sólido-sólido epitaxial puede tolerar grandes desajustes de celosía, y así la estrategia que propusieron también podría ser aplicable a muchos otros electrolitos sólidos de perovskita y electrodos en capas.

"Este trabajo señaló una dirección que vale la pena seguir, "Dijo Ma." La aplicación del principio planteado aquí a otros materiales importantes podría conducir a un rendimiento celular aún mejor y una ciencia más interesante. Estamos deseando que llegue ". Los investigadores tienen la intención de continuar su exploración en esta dirección, y aplicar la estrategia propuesta a otros de alta capacidad, cátodos de alto potencial.

El estudio se publica en Importar , una revista de Cell Press, titulado "Contacto íntimo atómico entre electrolitos sólidos y electrodos para baterías de litio".