Singer Group está aprovechando los defectos y dislocaciones en los electrolitos de estado sólido para crear materiales de almacenamiento de energía superiores. Crédito:Sociedad Química Estadounidense
Algunas imperfecciones pagan grandes dividendos.
Una colaboración dirigida por Cornell utilizó nanoimágenes de rayos X para obtener una vista sin precedentes de los electrolitos de estado sólido. revelando dislocaciones y defectos de cristal no detectados previamente que ahora pueden aprovecharse para crear materiales superiores de almacenamiento de energía.
El periódico del grupo, "Nanoimagen de rayos X de defectos cristalinos en granos individuales de electrolito de estado sólido Li 7 -3 X Alabama X La 3 Zr 2 O 12 , "publicado el 29 de abril en Nano letras , una publicación de la American Chemical Society. El autor principal del artículo es el estudiante de doctorado Yifei Sun.
Durante medio siglo, Los científicos de materiales han estado investigando los efectos de pequeños defectos en los metales. La evolución de las herramientas de imágenes ha creado oportunidades para explorar fenómenos similares en otros materiales, más notablemente los que se utilizan para el almacenamiento de energía.
Un grupo liderado por Andrej Singer, profesor asistente y David Croll Sesquicentennial Faculty Fellow en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, utiliza la radiación de sincrotrón para descubrir defectos a escala atómica en los materiales de la batería que los enfoques convencionales, como microscopía electrónica, no han podido encontrar.
El Grupo Singer está particularmente interesado en los electrolitos de estado sólido porque potencialmente podrían usarse para reemplazar los electrolitos líquidos y poliméricos en las baterías de iones de litio. Uno de los principales inconvenientes de los electrolitos líquidos es que son susceptibles a la formación de dendritas puntiagudas entre el ánodo y el cátodo. que cortocircuita la batería o, peor aún, hacer que explote.
Los electrolitos de estado sólido tienen la virtud de no ser inflamables, pero presentan desafíos propios. No conducen iones de litio con tanta fuerza o rapidez como los fluidos, y mantener el contacto entre el ánodo y el cátodo puede resultar difícil. Los electrolitos de estado sólido también deben ser extremadamente delgados; de lo contrario, la batería sería demasiado voluminosa y se anularía cualquier aumento de capacidad.
¿Lo único que podría hacer viables los electrolitos en estado sólido? Pequeños defectos Dijo Singer.
"Estos defectos podrían facilitar la difusión iónica, por lo que podrían permitir que los iones vayan más rápido. Eso es algo que se sabe que sucede en los metales, ", dijo." También como en los metales, tener defectos es mejor en términos de prevención de fracturas. Por lo que podrían hacer que el material sea menos propenso a romperse ".
El grupo de Singer colaboró con Nikolaos Bouklas, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial Sibley y coautor del artículo, que les ayudó a comprender cómo los defectos y las dislocaciones podrían afectar las propiedades mecánicas de los electrolitos en estado sólido.
Luego, el equipo de Cornell se asoció con investigadores de Virginia Tech, dirigido por Feng Lin, coautor principal del artículo, que sintetizó la muestra:una estructura de cristal granate, óxido de litio lantano circonio (LLZO), con varias concentraciones de aluminio añadidas en un proceso llamado dopaje.
Usando la Fuente de Fotones Avanzada en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU., Emplearon una técnica llamada Imagen difractiva coherente de Bragg en la que un El haz de rayos X en columna se enfoca, como un puntero láser, en un grano de LLZO del tamaño de una sola micra. Los electrolitos consisten en millones de estos granos. El rayo creó una imagen en 3D que finalmente reveló la morfología del material y los desplazamientos atómicos.
"Se suponía que estos electrolitos eran cristales perfectos, ", Dijo Sun." Pero lo que encontramos son defectos como dislocaciones y límites de grano que no se han informado antes. Sin nuestras imágenes en 3D, que es extremadamente sensible a los defectos, probablemente sería imposible ver esas dislocaciones porque la densidad de dislocaciones es muy baja ".
Los investigadores ahora planean realizar un estudio que mida cómo los defectos impactan el rendimiento de los electrolitos de estado sólido en una batería real.
"Ahora que sabemos exactamente lo que estamos buscando, queremos encontrar estos defectos y observarlos mientras operamos la batería, "Singer dijo." Todavía estamos muy lejos de eso, pero es posible que estemos al comienzo de un nuevo desarrollo en el que podamos diseñar estos defectos a propósito para hacer mejores materiales de almacenamiento de energía ".
