Tomografía de rayos X revela dinámica de carga-descarga en tiempo real en baterías de estado sólido

Las baterías de iones de litio ahora en uso generalizado para todo, desde electrónica móvil hasta vehículos eléctricos, dependen de un electrolito líquido para transportar iones de ida y vuelta entre electrodos dentro de la batería durante ciclos de carga y descarga. El líquido cubre uniformemente los electrodos, permitiendo el libre movimiento de los iones.

Baterías de estado sólido: electrolito sólido, mayor densidad energética y seguridad

La tecnología de baterías de estado sólido en rápida evolución usa en su lugar un electrolito sólido, lo que debería ayudar a aumentar la densidad energética y mejorar la seguridad de futuras baterías. Pero la remoción de litio de los electrodos puede crear vacíos en las interfaces que causan problemas de fiabilidad, limitando cuánto tiempo pueden operar las baterías.

Tomografía de rayos X operando: evolución interna durante ciclos

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

Microtomografía computada de rayos X sincrotrón operando

La imagen de microtomografía computada de rayos X sincrotrón operando reveló cómo los cambios dinámicos de materiales de electrodos en interfaces litio/electrolito-sólido determinan el comportamiento de baterías de estado sólido. Los investigadores encontraron que la operación de la batería causaba formación de vacíos en la interfaz, lo que creaba pérdida de contacto que era la causa principal de fallo en las celdas.

Celdas de prueba especiales: 2 mm de ancho, 5 días de observación

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 usando algoritmos computacionales para proporcionar imágenes 3D de las baterías a lo largo del tiempo.

Desafíos de imagen del litio y trabajo futuro

Como el litio es tan ligero, imaginarlo con rayos X puede ser un desafío y requirió un diseño especial de las celdas de prueba de batería. La tecnología usada es similar a la que se usa para tomografías computarizadas (TC) médicas. Debido a limitaciones en las pruebas, los investigadores solo pudieron observar la estructura de las baterías a través de un solo ciclo. En trabajos futuros, les gustaría ver qué sucede en ciclos adicionales y si la estructura de alguna manera se adapta a la creación y llenado de vacíos. Los resultados probablemente se aplicarían a otras formulaciones de electrolito y la técnica de caracterización podría usarse para obtener información sobre otros procesos de batería.

Requisito: 1000 ciclos para 150,000 millas en vehículos eléctricos

Los paquetes de baterías para vehículos eléctricos deben soportar al menos 1,000 ciclos durante una vida útil proyectada de 150,000 millas. Aunque las baterías de estado sólido con electrodos de litio metálico pueden ofrecer más energía para una batería de un tamaño dado, esa ventaja no superará a la tecnología existente a menos que puedan proporcionar vidas útiles comparables.