Gran avance en la comprensión de la causa de la alta resistividad en las interfaces electrodo-electrolito, lo que ha obstaculizado el desarrollo de baterías de alta densidad de potencia.

Un equipo de investigación del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales (NIMS) dirigido por el investigador principal Nobuyuki Ishida y el investigador postdoctoral Hideki Masuda, Grupo de caracterización de superficies, Centro de Investigación para Medición y Caracterización Avanzadas (Ishida también es un líder VERDE en el Grupo de Caracterización de Nano Interfaces), logró visualizar el cambio a nanoescala en la distribución de potencial en materiales de cátodos compuestos de baterías de iones de litio de estado sólido (SS-LIB) antes y después de cargar / descargar las baterías. Los resultados de este estudio pueden contribuir a identificar la causa de la alta resistividad en las interfaces electrodo-electrolito, lo que ha estado obstaculizando el desarrollo de SS-LIB de alta densidad de potencia.

Debido a su seguridad probada y sus excelentes características de ciclo, Las SS-LIB se conciben como baterías de almacenamiento prometedoras de próxima generación. Sin embargo, debido a la mayor resistencia de transferencia de los iones de litio en las interfaces electrodo-electrolito sólido en comparación con la de las interfaces electrodo-electrolito líquido, es difícil aumentar la densidad de potencia de los SS-LIB. Para comprender el origen de la resistividad interfacial, El modelado se aplicó a la capa agotada de iones de litio (capa de carga espacial), que se forma en electrolitos sólidos cuando se cargan SS-LIB, ya defectos en la capa interfacial. Para probar estas hipótesis, es fundamental medir el cambio de espesor de la capa de carga espacial, y el cambio en la distribución de las concentraciones de iones de litio en esa capa antes y después de cargar / descargar las baterías. Luego, será factible analizar la correlación entre estas medidas y la resistividad interfacial. Sin embargo, había sido difícil medir la distribución del potencial eléctrico en muestras SS-LIB, ya que las muestras deben extraerse sin comprometer el rendimiento de la batería. Este había sido un problema importante que impedía a los investigadores investigar la causa de la resistividad interfacial.

El equipo de investigación desarrolló un método mediante el cual las muestras que se van a medir se cortan de SS-LIB, se trata la sección transversal de las muestras, y la distribución de potencial se mide utilizando un microscopio de sonda de barrido, todos los cuales se realizan bajo una atmósfera de gas inerte o al vacío. Luego, el equipo visualizó con éxito el cambio en la distribución potencial que surge de la carga / descarga de la batería en el cátodo compuesto a la alta resolución espacial (≤50 nm) mientras se mantiene el rendimiento de la batería. Cuando los SS-LIB (proporcionados por Taiyo Yuden Co., Ltd.) fueron evaluados utilizando este método, los resultados indicaron que el área donde las concentraciones de iones de litio disminuyeron en el orden de micrómetros expandidos en la región de electrolitos sólidos, y que los estados de carga eran localmente no homogéneos.

Este método es aplicable a la evaluación de capas de carga espacial en muchos tipos de SS-LIB, y puede contribuir a comprender las causas de la alta resistividad interfacial en SS-LIB. Además, este método también es aplicable a la evaluación de las diferencias en los estados de carga / descarga para partículas de material activo individuales que surgen debido a una distribución de conductividad eléctrica no uniforme en los materiales de electrodos compuestos. Por lo tanto, Es posible que el nuevo método no solo contribuya al diseño de interfaces para mejorar el rendimiento de los SS-LIB, sino que también se aplique a diversas técnicas de análisis de baterías, incluido el análisis de las causas de la degradación de las baterías.

Una parte de este estudio se realizó junto con el proyecto titulado "Formación de una ruta de conducción de superiones en una batería recargable de iones de litio de estado sólido mediante el diseño de la interfaz de fase cristalina con estructuras controladas jerárquicamente" (Katsuya Teshima, director de investigación), que se llevó a cabo para complementar el proyecto "Creación de materiales funcionales innovadores con propiedades avanzadas mediante el diseño del hiper-nanoespacio" (Tohru Setoyama, supervisor de investigación), bajo los Programas de Investigación Básica Estratégica (específicamente el programa CREST) ​​patrocinado por la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología (JST).