Un equipo de investigación internacional ha descubierto cambios a nanoescala en baterías de estado sólido que podrían conducir a un mejor rendimiento. Identificaron vibraciones de alta frecuencia en la interfaz electrolito-electrodo que impiden el movimiento de iones de litio, lo que podría allanar el camino para nuevas estrategias para aumentar la conductividad iónica.
Un equipo mundial de científicos, incluidos nanoingenieros de la Universidad de California en San Diego, descubrió cambios a nanoescala en las baterías de estado sólido que podrían proporcionar nuevos conocimientos sobre cómo mejorar la eficiencia de las baterías.
Usando simulaciones por computadora y experimentos de rayos X, los investigadores pudieron «ver» en detalle por qué los iones de litio se mueven a un ritmo lento dentro de un electrolito sólido, particularmente en la interfaz entre el electrolito y el electrodo. La investigación ha demostrado que el aumento de las vibraciones en la interfaz dificulta el movimiento de los iones de litio más que en otras partes del material. Estos hallazgos, publicados el 27 de abril en la revista Nature Materials, podrían resultar en el desarrollo de nuevos enfoques para mejorar la conductividad iónica en baterías de estado sólido.
Las baterías de estado sólido, que contienen electrolitos hechos de materiales sólidos, prometen ser más seguras, más duraderas y más eficientes que las baterías tradicionales de iones de litio con electrolitos líquidos inflamables.
Pero un gran problema con estas baterías es que el movimiento de los iones de litio está más restringido, particularmente donde el electrolito hace contacto con el electrodo.
«Nuestra capacidad para fabricar mejores baterías de estado sólido se ve obstaculizada por el hecho de que no sabemos exactamente qué sucede en la interfaz entre estos dos sólidos», dijo el coautor principal del estudio, Tod Pascal, profesor de nanoingeniería e ingeniería química y miembro del Centro de Energía y Energía Sostenible de la Escuela de Ingeniería UC San Diego Jacobs. “Este trabajo proporciona un nuevo microscopio para observar este tipo de interfaces. Al ver lo que hacen los iones de litio y comprender cómo se mueven a través de la batería, podemos comenzar a diseñar formas de moverlos de un lado a otro de manera más eficiente”.
Para este estudio, Pascal se asoció con su antiguo colaborador, Michael Zuerch, profesor de química en UC Berkeley, para desarrollar una técnica para sondear directamente los iones de litio en la interfaz. Durante los últimos tres años, los dos grupos han trabajado en el desarrollo de un enfoque espectroscópico completamente nuevo para probar interfaces funcionales enterradas, como las que se encuentran en las baterías. El laboratorio de Pascal dirigió el trabajo teórico, mientras que el laboratorio de Zuerch dirigió el trabajo experimental.
La nueva técnica que desarrollaron combina dos enfoques establecidos. El primero es la espectroscopia de adsorción de rayos X, que consiste en golpear un material con haces de rayos X para identificar su estructura atómica. Este método es útil para sondear iones de litio dentro del material, pero no en la interfaz. Entonces, los investigadores utilizaron un segundo método, llamado generación de segundo armónico, que puede identificar específicamente átomos en una interfaz. Implica golpear átomos con dos pulsos consecutivos de partículas de alta energía, en este caso, haces de rayos X de alta intensidad con una energía específica, para que los electrones puedan alcanzar un estado altamente energizado, llamado estado doblemente excitado. Este estado excitado no dura mucho, lo que significa que los electrones finalmente regresan a su estado fundamental y liberan la energía adsorbida, que luego se detecta como una señal. La clave aquí es que solo ciertos átomos, como los de una interfase, pueden experimentar esta doble excitación. Como resultado, las señales detectadas a partir de estos experimentos proporcionarían necesariamente y solo información sobre lo que sucede en la interfaz, explicó Pascal.
Los investigadores utilizaron esta técnica en un modelo de batería de estado sólido que consta de dos materiales de batería de uso común: titanio, litio y óxido de lantano como electrolito sólido y óxido de cobalto de litio como cátodo.
Para verificar que las señales que estaban viendo provenían realmente de la interfaz, los investigadores realizaron una serie de simulaciones por computadora, basadas en métodos desarrollados en el grupo de investigación de Pascal. Cuando los investigadores compararon los datos experimentales y computacionales, encontraron que las señales coincidían casi exactamente.
«El trabajo teórico nos permitió llenar los vacíos y brindar claridad sobre las señales que estábamos viendo en los experimentos», dijo el coautor del estudio, Sasawat Jamnuch, Ph.D. en nanoingeniería. alumno del grupo de investigación de Pascal que recientemente defendió su tesis doctoral. “Pero una gran ventaja de la teoría es que podemos usarla para responder preguntas adicionales. Por ejemplo, ¿por qué estos signos aparecen de esta manera?
Desbloqueo del movimiento de iones en la interfaz
Jamnuch y Pascal llevaron el trabajo un paso más allá. Modelaron la dinámica de los iones de litio en el electrolito sólido y descubrieron algo inesperado. Descubrieron que se produjeron vibraciones de alta frecuencia en la interfaz del electrolito, y estas vibraciones restringieron aún más el movimiento de los iones de litio en comparación con las vibraciones en el resto del material.
«Este es uno de los hallazgos clave de este estudio que pudimos extraer con la teoría», dijo Jamnuch. Los investigadores de baterías habían sospechado durante mucho tiempo que la incompatibilidad entre el electrolito sólido y los materiales del electrodo restringía el movimiento de los iones de litio a través de la interfaz. Ahora, Jamnuch, Pascal y sus colegas muestran que también hay algo más en juego.
«En realidad, existe cierta resistencia intrínseca al movimiento de iones en este material justo en la interfaz», dijo Pascal. «La barrera para que pasen los iones de litio no es solo una función de que los dos materiales sólidos sean mecánicamente incompatibles entre sí, también es una función de las vibraciones en el material mismo».
Describió la barrera al movimiento de iones como similar a lo que experimentaría una pelota si rebotara dentro de una habitación donde las paredes también se estuvieran moviendo.
“Imagine una habitación con una pelota en la parte de atrás y la pelota está tratando de avanzar”, dijo. “Ahora también imagina que los lados de la habitación también se están moviendo, de un lado a otro, lo que hace que la pelota rebote de un lado a otro. La energía total se conserva, por lo que si la pelota rebota más de un lado a otro, tiene que moverse menos de un lado a otro. En otras palabras, cuanto más rápido se mueven los lados, más tiempo pasa la pelota rebotando y más tiempo tarda en llegar al frente. Del mismo modo, en estas baterías de estado sólido, el camino que toman los iones de litio para atravesar el material se ve afectado por el hecho de que el material en sí vibra a una frecuencia más alta en la interfaz que en la mayor parte. Entonces, incluso si hubiera una compatibilidad perfecta entre el electrolito y los materiales del electrodo, todavía habría resistencia a la difusión de litio a través de la interfaz debido a estas vibraciones de alta frecuencia”.
Gracias a su trabajo computacional, los investigadores sientan las bases para futuros diseños de baterías de estado sólido.
“Una idea sería reducir las vibraciones en la interfaz del material de electrolito sólido”, dijo Jamnuch. «Puedes hacer esto dopando la interfaz con elementos pesados, por ejemplo».
«Ahora que entendemos más acerca de cómo pasan los iones de litio a través de este sistema, podemos diseñar racionalmente nuevos sistemas que faciliten el paso de iones», dijo Pascal. “Encontramos nuevas perillas para girar, nuevas formas de optimizar estos sistemas”.
Referencia: “Probing Lithium Mobility on a Solid Electrolyte Surface” por Clarisse Woodahl, Sasawat Jamnuch, Angelique Amado, Can B. Uzundal, Emma Berger, Paul Manset, Yisi Zhu, Yan Li, Dillon D. Fong, Justin G. Connell, Yasuyuki Hirata, Yuya Kubota, Shigeki Owada, Kensuke Tono, Makina Yabashi, Suzanne GE te Velthuis, Sanja Tepavcevic, Iwao Matsuda, Walter S. Drisdell, Craig P. Schwartz, John W. Freeland, Tod A. Pascal, Alfred Zong y Michael Zuerch , 27 de abril de 2023, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-023-01535-y
El estudio fue parcialmente financiado por la Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Ciencias Energéticas Básicas de los Estados Unidos. Este trabajo también fue parcialmente financiado por NSF a través del Centro de Investigación de Ingeniería y Ciencia de Materiales en UC San Diego. Los investigadores también reconocen el financiamiento de la Rectoría de la UC dentro de los Programas e Iniciativas de Investigación Multicampus.
