Un nuevo revestimiento protector mejora la seguridad y la densidad energética de las baterías de metal de litio

Universidad de Stanford, California

Representación artística de una capa atómicamente delgada de plata y algunos átomos de plata debajo de la superficie, protegiendo la estructura cristalina de un electrolito sólido de la presión mecánica. (Imagen:Chaoyang Zhao)

Un electrolito sólido, en lugar de líquido, entre los electrodos opuestos de una batería debería, en teoría, permitir una batería recargable de metal de litio que sea más segura, contenga mucha más energía y se cargue considerablemente más rápido que las baterías de iones de litio disponibles comercialmente en la actualidad. Durante décadas, científicos e ingenieros han explorado varios caminos para hacer realidad la gran promesa de las baterías de metal litio. Un problema importante con los electrolitos sólidos cristalinos objeto de estudio ha sido la formación de grietas microscópicas que crecen durante el uso hasta que la batería falla.

Los investigadores de Stanford, basándose en los hallazgos que publicaron hace tres años que identificaron cómo se forman y expanden estas pequeñas imperfecciones, han descubierto que recocer una capa de plata extremadamente delgada sobre la superficie del electrolito sólido parece resolver en gran medida el problema. Como se informa en Materiales de la naturaleza , este recubrimiento endurece cinco veces la superficie del electrolito contra la fractura debido a la presión mecánica. También hace que las imperfecciones existentes sean mucho menos vulnerables al litio que se esconde en su interior, especialmente durante la recarga rápida, lo que convierte las nanofisuras en nanohendiduras y, finalmente, inutiliza la batería.

"El electrolito sólido en el que nosotros y otros estamos trabajando para mejorar es un tipo de cerámica que permite que los iones de litio se muevan hacia adelante y hacia atrás fácilmente, pero es frágil", dijo Wendy Gu, profesora asociada de Ingeniería Mecánica y autora principal del estudio. "A una escala increíblemente pequeña, no se diferencia de los platos o tazones de cerámica que tienes en casa, que tienen pequeñas grietas en sus superficies".

"Una batería de estado sólido del mundo real está hecha de capas de láminas apiladas de cátodo, electrolito y ánodo. Fabricarlas sin siquiera las imperfecciones más pequeñas sería casi imposible y muy costoso", dijo Gu. "Decidimos que una superficie protectora podría ser más realista y sólo un poco de plata parece funcionar bastante bien".

Investigaciones anteriores realizadas por otros científicos investigaron el uso de recubrimientos metálicos de Ag en el mismo material de electrolito sólido, conocido como "LLZO" por su mezcla de átomos de litio, lantano y circonio, así como oxígeno, con el que trabajó el estudio actual. Mientras que los estudios anteriores utilizaron plata metálica para mejorar el rendimiento de la batería, el nuevo estudio utilizó una forma disuelta de plata que ha perdido un electrón (Ag+). Esta plata disuelta y cargada, a diferencia de la plata sólida metálica, es directamente responsable del endurecimiento de la cerámica contra la formación de grietas.

Los investigadores depositaron una capa de plata de 3 nanómetros de espesor sobre las superficies de LLZO y luego calentaron las muestras hasta 300 °C (572 °F). Durante el calentamiento, los átomos de plata se difundieron en la superficie del electrolito, intercambiando lugares con átomos de litio mucho más pequeños a una profundidad de 20 a 50 nanómetros. La plata permaneció como iones cargados positivamente en lugar de plata metálica, lo que los científicos creen que es clave para evitar la formación de grietas. Cuando existen imperfecciones, la presencia de algunos iones de plata positivos también evita que el litio entre y desarrolle ramas destructivas dentro del electrolito.

"Este método puede extenderse a una amplia clase de cerámicas. Demuestra que los recubrimientos superficiales ultrafinos pueden hacer que el electrolito sea menos frágil y más estable en condiciones electroquímicas y mecánicas extremas, como carga rápida y presión", dijo Xin Xu, quien en Stanford trabajó en el laboratorio del profesor William Chueh, autor principal del estudio y director del Instituto Precourt para la Energía, que forma parte de la Escuela de Sostenibilidad Doerr de Stanford.

Utilizando una sonda especializada dentro de un microscopio electrónico de barrido, los investigadores midieron la fuerza necesaria para fracturar la superficie. El electrolito sólido tratado con plata requirió casi cinco veces más presión para agrietarse, en comparación con el material sin tratar. Hasta ahora, los experimentos funcionaban con pequeñas muestras de prueba en lugar de baterías completas. Los investigadores ahora están aplicando el tratamiento de superficie a base de plata a baterías de metal de litio para ver qué tan bien funciona el recubrimiento en condiciones del mundo real, como cargas rápidas repetidas y uso a largo plazo.

Además, el equipo está investigando varias estrategias para utilizar presión mecánica en diferentes ángulos que puedan prolongar la vida útil de la batería. También están estudiando métodos para prevenir fallas en tipos adicionales de electrolitos sólidos, como los basados ​​en azufre, que pueden tener beneficios adicionales como una mayor estabilidad química con el litio. La aplicación de estos hallazgos a las baterías emergentes basadas en sodio es una posibilidad intrigante, que puede ayudar a aliviar las limitaciones de la cadena de suministro de las baterías basadas en litio.

La plata no es la única opción, dijeron los investigadores. Las primeras pruebas con otros metales menos costosos (el cobre, por ejemplo) han arrojado resultados alentadores. En conjunto, estos hallazgos sugieren un enfoque nuevo y flexible para endurecer los materiales frágiles que pueden ser cruciales para las baterías de próxima generación.

Para obtener más información, comuníquese con Wendy Gu en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita activar JavaScript para verlo..