La última generación de baterías de iones de litio que se encuentra actualmente en desarrollo promete una revolución en la alimentación de teléfonos celulares, vehículos eléctricos, computadoras portátiles y una miríada de otros dispositivos. Con todos los componentes no inflamables de estado sólido, las nuevas baterías son más livianas, mantienen su carga por más tiempo, se recargan más rápido y son más seguras de usar que las baterías de iones de litio convencionales, que contienen un gel que puede incendiarse.

Sin embargo, como todas las baterías, las baterías de iones de litio de estado sólido tienen un inconveniente:debido a las interacciones electroquímicas, la impedancia, el análogo de CA de la resistencia eléctrica de CC, puede acumularse dentro de las baterías, lo que limita el flujo de corriente eléctrica. Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colegas ahora han identificado el lugar donde ocurre la mayor parte de esta acumulación. Al hacerlo, el equipo sugirió un rediseño simple que podría limitar drásticamente la acumulación de impedancia, lo que permitiría que las baterías cumplan su función como fuente de energía de próxima generación.

Una batería de iones de litio consta de dos terminales en forma de lámina, el ánodo (terminal negativo) y el cátodo (terminal positivo), separados por un medio conductor de iones llamado electrolito. (El electrolito es un gel en el caso de las baterías ordinarias de iones de litio, un sólido en la versión de estado sólido). Durante la descarga, los iones de litio fluyen desde el ánodo a través del electrolito hasta el cátodo, obligando a los electrones a moverse alrededor de un circuito exterior. y generar la corriente eléctrica que alimenta los dispositivos.

La impedancia normalmente surge en la interfaz entre cualquiera de los dos electrodos y el electrolito. Pero encontrar la ubicación exacta requiere conocimiento tanto de la distribución de iones de litio como de la diferencia de voltaje en cada interfaz.

Estudios previos realizados por otros equipos no pudieron ubicar definitivamente el área del problema porque la herramienta que usaron promedió la impedancia de toda la batería en lugar de medirla en sitios individuales dentro del dispositivo. El equipo del NIST, que incluye colaboradores del Laboratorio Nacional Sandia en Livermore, California, el Laboratorio de Investigación Naval en Washington, D.C. y varias universidades, utilizó dos métodos complementarios para estudiar la impedancia a nanoescala en una batería de iones de litio de estado sólido.

Un método, la microscopía de fuerza con sonda Kelvin, utiliza la punta afilada de un microscopio de fuerza atómica que se cierne sobre las diferentes capas de una batería abierta para obtener imágenes de la distribución de voltaje en cada superficie. La sonda reveló que la mayor caída de voltaje dentro de la batería se produjo en la interfaz electrolito/ánodo, lo que indica que se trataba de una región de alta impedancia. (Si toda la batería tuviera baja impedancia, la caída de voltaje interno variaría gradualmente y sin problemas de un lugar a otro dentro de la celda).

El segundo método, el perfilado de profundidad de neutrones, utiliza un haz de neutrones de baja energía generados en el Centro de Investigación de Neutrones del NIST para sondear la distribución y concentración de litio a nanoescala. Debido a que el perfil de profundidad de neutrones no daña la batería, los investigadores pudieron emplear la técnica mientras la batería estaba funcionando.

Cuando los neutrones de baja energía del haz fueron absorbidos por el litio de la batería, produjeron partículas energéticas cargadas, alfa (4He) y tritio (3H). La cantidad de estas partículas cargadas generadas y la energía que retienen después de atravesar las capas de la batería indican la concentración de iones de litio en diferentes lugares de la batería.

Las mediciones revelaron que el sitio principal donde se habían acumulado los iones de litio, disminuyendo el flujo de corriente eléctrica, se encontraba en el límite entre el electrolito y el ánodo, el mismo sitio en el que la microscopía de fuerza de la sonda Kelvin había detectado la mayor caída de voltaje.

En conjunto, los resultados de la microscopía de fuerza de la sonda Kelvin y las técnicas de perfilado de profundidad de neutrones demostraron inequívocamente que la mayor parte de la impedancia surge en la interfaz electrolito/ánodo, dijo el miembro del equipo Evgheni Strelcov del NIST y el NanoCenter de la Universidad de Maryland en College Park.

Strelcov y otros investigadores, incluidos Jamie Weaver, Joseph Dura, Andrei Kolmakov y Nikolai Zhitenev del NIST y sus colaboradores, informaron sus hallazgos en línea el 19 de octubre en la revista ACS Energy Letters .

"Este trabajo demuestra que el perfil de profundidad de neutrones, combinado con la microscopía de fuerza de la sonda Kelvin y el modelado teórico, continúa avanzando en nuestra comprensión del funcionamiento interno de las baterías de iones de litio", dijo Weaver.

Al analizar sus hallazgos, los científicos concluyeron que la impedancia que encontraron en la interfaz podría reducirse significativamente si se agregaran capas de otro material entre el ánodo y el electrolito. Agregar capas intermedias que se adhieran correctamente entre sí evitaría que el electrolito y el ánodo interactúen entre sí directamente. Eso es un beneficio porque cuando un electrolito y el ánodo están en contacto directo, a veces forman una fina capa de material que impide el transporte de los iones.

"Queremos diseñar las interfaces para que tengan una alta conductividad de iones y electrones", dijo Strelcov.