Las baterías de estado sólido podrían desempeñar un papel clave en los vehículos eléctricos, prometiendo una carga más rápida, una mayor autonomía y una vida útil más larga que las baterías de iones de litio convencionales. Pero las técnicas actuales de fabricación y procesamiento de materiales hacen que las baterías de estado sólido sean propensas a fallar. Ahora, los investigadores han descubierto una falla oculta detrás de las fallas. El siguiente paso es diseñar materiales y técnicas que tengan en cuenta estos defectos y produzcan baterías de próxima generación.

En una batería de estado sólido, las partículas cargadas llamadas iones se mueven a través de la batería dentro de un material sólido, a diferencia de las baterías de iones de litio tradicionales, en las que los iones se mueven en un líquido. Las celdas de estado sólido ofrecen ventajas, pero las variaciones locales o los pequeños defectos en el material sólido pueden hacer que la batería se desgaste o se acorte, según los nuevos hallazgos.

"Un material uniforme es importante", dijo la investigadora principal Kelsey Hatzell, profesora asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial y el Centro Andlinger de Energía y Medio Ambiente. "Quieres que los iones se muevan a la misma velocidad en todos los puntos del espacio".

En un artículo publicado el 1 de septiembre en la revista Nature Materials , Hatzell y los coautores explicaron cómo usaron herramientas de alta tecnología en el Laboratorio Nacional de Argonne para examinar y rastrear los cambios de materiales a escala nanométrica dentro de una batería mientras cargaban y descargaban la batería. El equipo de investigación, que representa a Princeton Engineering, Vanderbilt y Argonne and Oak Ridge National Labs, examinó los granos formados por cristales en el electrolito sólido de la batería, la parte central de la batería a través de la cual se mueve la carga eléctrica. Los investigadores concluyeron que las irregularidades entre los granos pueden acelerar la falla de la batería al mover los iones más rápido a una región de la batería que a otra. Ajustar el procesamiento de materiales y los enfoques de fabricación podría ayudar a resolver los problemas de confiabilidad de las baterías.

Las baterías almacenan energía eléctrica en los materiales que componen sus electrodos:el ánodo (el extremo de la batería marcado con el signo menos) y el cátodo (el extremo de la batería marcado con el signo más). Cuando la batería descarga energía para alimentar un automóvil o un teléfono inteligente, las partículas cargadas (llamadas iones) se mueven a través de la batería hacia el cátodo (el extremo +). El electrolito, sólido o líquido, es el camino que toman los iones entre el ánodo y el cátodo. Sin un electrolito, los iones no pueden moverse y almacenar energía en el ánodo y el cátodo.

En una batería de estado sólido, el electrolito suele ser una cerámica o un vidrio denso. Las baterías de estado sólido con electrolito sólido pueden permitir materiales más densos en energía (por ejemplo, metal de litio) y hacer que las baterías sean más livianas y pequeñas. El peso, el volumen y la capacidad de carga son factores clave para aplicaciones de transporte como los vehículos eléctricos. Las baterías de estado sólido también deberían ser más seguras y menos susceptibles a incendios que otras formas.

Los ingenieros sabían que las baterías de estado sólido tienden a fallar en el electrolito, pero las fallas parecían ocurrir al azar. Hatzell y los co-investigadores sospecharon que las fallas podrían no ser aleatorias sino causadas por cambios en la estructura cristalina del electrolito. Para explorar esta hipótesis, los investigadores utilizaron el sincrotrón del Laboratorio Nacional de Argonne para producir potentes rayos X que les permitieron observar la batería durante el funcionamiento. Combinaron imágenes de rayos X y técnicas de difracción de alta energía para estudiar la estructura cristalina de un electrolito granate en la escala de angstrom, aproximadamente del tamaño de un solo átomo. Esto permitió a los investigadores estudiar los cambios en el granate a nivel de cristal.

Un electrolito de granate se compone de un conjunto de bloques de construcción conocidos como granos. En un solo electrolito (1 mm de diámetro) hay casi 30.000 granos diferentes. Los investigadores encontraron que a través de los 30.000 granos, había dos arreglos estructurales predominantes. Estas dos estructuras mueven iones a diferentes velocidades. Además, estas formas o estructuras diferentes "pueden generar gradientes de tensión que hacen que los iones se muevan en diferentes direcciones y que los iones eviten partes de la célula", dijo Hatzell.

Ella comparó el movimiento de los iones cargados a través de la batería con el agua que se mueve río abajo y se encuentra con una roca que redirige el agua. Las áreas que tienen grandes cantidades de iones en movimiento tienden a tener niveles de estrés más altos.

"Si tiene todos los iones yendo a un solo lugar, provocará una falla rápida", dijo Hatzell. "Necesitamos tener control sobre dónde y cómo se mueven los iones en los electrolitos para construir baterías que duren miles de ciclos de carga".

Hatzell dijo que debería ser posible controlar la uniformidad de los granos a través de técnicas de fabricación y agregando pequeñas cantidades de diferentes químicos llamados dopantes para estabilizar las formas cristalinas en los electrolitos.

"Tenemos muchas hipótesis que no se han probado sobre cómo se evitarían estas heterogeneidades", dijo. "Ciertamente va a ser un reto, pero no imposible".

El artículo, "Polymorphism of Garnet Solid Electrolytes and Its Implications on Grain Level Chemo-Mechanics", se publicó en la revista Nature Materials. . + Explora más

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