La tomografía de rayos X permite a los investigadores observar cómo se cargan y descargan las baterías de estado sólido

Las baterías de iones de litio ahora en uso generalizado para todo, desde dispositivos electrónicos móviles hasta vehículos eléctricos, dependen de un electrolito líquido para transportar iones entre los electrodos dentro de la batería durante los ciclos de carga y descarga. El líquido recubre uniformemente los electrodos, lo que permite el libre movimiento de los iones.

La tecnología de baterías de estado sólido, que evoluciona rápidamente, utiliza un electrolito sólido, lo que debería ayudar a aumentar la densidad de energía y mejorar la seguridad de las baterías futuras. Pero la eliminación de litio de los electrodos puede crear vacíos en las interfaces que causan problemas de confiabilidad, lo que limita el tiempo de funcionamiento de las baterías.

Usando tomografía de rayos X, los investigadores observaron la evolución interna de los materiales dentro de las baterías de litio de estado sólido a medida que se cargaban y descargaban. La información tridimensional detallada de la investigación podría ayudar a mejorar la confiabilidad y el rendimiento de las baterías, que utilizan materiales sólidos para reemplazar los electrolitos líquidos inflamables en las baterías de iones de litio existentes.

Las imágenes de microtomografía computarizada de rayos X de sincrotrón de Operando revelaron cómo los cambios dinámicos de los materiales de los electrodos en las interfaces de litio/electrolito sólido determinan el comportamiento de las baterías de estado sólido. Los investigadores descubrieron que el funcionamiento de la batería provocaba la formación de vacíos en la interfaz, lo que creaba una pérdida de contacto que era la principal causa de falla en las celdas.

El equipo construyó celdas de prueba especiales de unos dos milímetros de ancho y estudió los cambios en la estructura de la batería durante un período de cinco días. El instrumento de prueba tomó imágenes desde diferentes direcciones; las imágenes se reconstruyeron utilizando algoritmos informáticos para proporcionar imágenes en 3D de las baterías a lo largo del tiempo.

Debido a que el litio es tan liviano, obtener imágenes con rayos X puede ser un desafío y requiere un diseño especial de las celdas de la batería de prueba. La tecnología utilizada es similar a la que se utiliza para las tomografías computarizadas (TC) médicas. Debido a las limitaciones en las pruebas, los investigadores solo pudieron observar la estructura de las baterías a través de un solo ciclo. En el trabajo futuro, les gustaría ver qué sucede durante el ciclo adicional y si la estructura se adapta de alguna manera a la creación y llenado de vacíos. Es probable que los resultados se apliquen a otras formulaciones de electrolitos y la técnica de caracterización podría usarse para obtener información sobre otros procesos de baterías.

Los paquetes de baterías para vehículos eléctricos deben soportar al menos 1,000 ciclos durante una vida útil proyectada de 150,000 millas. Si bien las baterías de estado sólido con electrodos de metal de litio pueden ofrecer más energía para un tamaño de batería determinado, esa ventaja no superará a la tecnología existente a menos que puedan brindar una vida útil comparable.