La investigación en Sandia National Laboratories ha identificado un obstáculo importante para avanzar en el rendimiento de la batería de iones de litio de estado sólido en la electrónica pequeña:el flujo de iones de litio a través de las interfaces de la batería.

El proyecto de investigación y desarrollo dirigido por laboratorio de tres años de Sandia investigó la química a nanoescala de las baterías de estado sólido, centrándose en la región donde los electrodos y los electrolitos hacen contacto. La mayoría de las baterías comerciales de iones de litio contienen un electrolito líquido y dos electrodos sólidos, pero las baterías de estado sólido, en cambio, tienen una capa de electrolito sólido, permitiéndoles durar más y operar de manera más segura.

"El objetivo subyacente del trabajo es hacer que las baterías de estado sólido sean más eficientes y mejorar las interfaces entre diferentes materiales, "Dijo el físico de Sandia Farid El Gabaly." En este proyecto, todos los materiales son sólidos; no tenemos una interfaz líquido-sólido como en las baterías de iones de litio tradicionales ".

La investigación fue publicada en un Nano letras papel titulado, "Coordinación química y migración Li + no faradaica a través de interfaces de batería de estado sólido". Los autores incluyen al científico postdoctoral de Sandia Forrest Gittleson y El Gabaly. El trabajo fue financiado por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio, con financiamiento complementario de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía.

El Gabaly explicó que en cualquier batería de litio, el litio debe viajar hacia adelante y hacia atrás de un electrodo al otro cuando se carga y descarga. Sin embargo, la movilidad de los iones de litio no es la misma en todos los materiales y las interfaces entre los materiales son un gran obstáculo.

Acelerando la intersección

El Gabaly compara el trabajo con averiguar cómo hacer que el tráfico se mueva rápidamente a través de una intersección concurrida.

"Para nosotros, estamos tratando de reducir el atasco en el cruce entre dos materiales, " él dijo.

El Gabaly comparó la interfaz electrodo-electrolito con una cabina de peaje o fusión en una autopista.

"Básicamente, estamos eliminando los peajes en efectivo y diciendo que todos deben pasar por la vía rápida, para suavizar o eliminar las ralentizaciones, ", dijo." Cuando se mejora el proceso en la interfaz, se tiene la infraestructura adecuada para que los vehículos pasen con facilidad. Todavía tienes que pagar, pero es más rápido y más controlado que la gente que busca monedas en la guantera ".

Hay dos interfaces importantes en las baterías de estado sólido, él explicó, en la unión cátodo-electrolito y electrolito-ánodo. Cualquiera podría estar dictando los límites de rendimiento de una batería completa.

Gittleson agrega, "Cuando identificamos uno de estos cuellos de botella, le pedimos, '¿Podemos modificarlo?' Y luego intentamos cambiar la interfaz y hacer que los procesos químicos sean más estables con el tiempo ".

El interés de Sandia en las baterías de estado sólido

El Gabaly dijo que Sandia está interesada en la investigación principalmente porque las baterías de estado sólido son de bajo mantenimiento, confiable y seguro. Los electrolitos líquidos son típicamente reactivos, volátiles y altamente inflamables y son una de las principales causas de fallas en las baterías comerciales. La eliminación del componente líquido puede hacer que estos dispositivos funcionen mejor.

"No nos centramos en las baterías grandes, como en los vehículos eléctricos, “Era más para electrónica pequeña o integrada”, dijo El Gabaly.

Dado que el laboratorio de Sandia en California no llevó a cabo investigaciones sobre baterías de estado sólido, el proyecto primero sentó las bases para crear prototipos de baterías y examinar interfaces.

"Este tipo de caracterización no es trivial porque las interfaces que nos interesan tienen solo unas pocas capas atómicas de espesor, ", Dijo Gittleson." Usamos rayos X para sondear la química de esas interfaces enterradas, ver a través de solo unos pocos nanómetros de material. Aunque es un desafío diseñar experimentos, hemos tenido éxito en sondear esas regiones y relacionar la química con el rendimiento completo de la batería ".

Procesando la investigación

La investigación se realizó utilizando materiales que se han utilizado en baterías de estado sólido de prueba de concepto anteriores.

"Dado que estos materiales no se producen a escala comercial masiva, necesitábamos poder fabricar dispositivos completos in situ, "Buscamos métodos para mejorar las baterías, ya sea insertando o cambiando las interfaces de varias formas o intercambiando materiales", dijo El Gabaly.

El trabajo utilizó deposición por láser pulsado y espectroscopia de fotoelectrones de rayos X combinados con técnicas electroquímicas. Esto permitió una deposición a muy pequeña escala, ya que las baterías son delgadas y están integradas en una oblea de silicio.

"Con este método, podemos diseñar la interfaz hasta el nivel nanométrico o incluso subnanométrico, "Gittleson dijo, agregando que se crearon cientos de muestras.

Construir baterías de esta manera permitió a los investigadores obtener una visión precisa de cómo se ve esa interfaz porque los materiales se pueden ensamblar de manera controlable.

La siguiente fase de la investigación es mejorar el rendimiento de las baterías y ensamblarlas junto con otras tecnologías de Sandia.

"Ahora podemos comenzar a combinar nuestras baterías con LED, sensores, pequeñas antenas o cualquier número de dispositivos integrados, "El Gabaly dijo." Aunque estamos contentos con el rendimiento de nuestra batería, siempre podemos intentar mejorarlo más ".