El uso de un electrolito sólido en lugar de un líquido dentro de una batería puede permitir baterías recargables de metal de litio que son más seguras, ahorran mucha más energía y se recargan mucho más rápido que las baterías de iones de litio actuales. Esta idea ha fascinado a científicos e ingenieros durante décadas. Sin embargo, el progreso se ha visto limitado por una debilidad crítica. Los electrolitos sólidos fabricados a partir de materiales cristalinos desarrollan grietas microscópicas. Con el tiempo, estas grietas crecen durante la carga repetida y, finalmente, la batería falla.
Los investigadores de Stanford, basándose en un trabajo publicado hace tres años que reveló cómo se forman y propagan pequeñas grietas, abolladuras y defectos superficiales, ahora han identificado una posible solución. Descubrieron que tratar térmicamente una capa muy fina de plata sobre la superficie de un electrolito sólido podría prevenir en gran medida este daño.
como se informó Materiales de la naturaleza El 16 de enero, la superficie tratada con plata se volvió cinco veces más resistente al agrietamiento debido a la tensión mecánica. El recubrimiento también redujo el riesgo de que el litio penetrara los defectos superficiales existentes. Esta penetración es particularmente dañina durante la carga rápida, cuando grietas muy pequeñas pueden ampliarse hasta convertirse en canales profundos que degradan permanentemente la batería.
¿Por qué es tan difícil eliminar las grietas?
“El electrolito sólido en el que nosotros y otros estamos trabajando 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 es como los platos o cuencos de cerámica que tienes en casa, que tienen pequeñas grietas en la superficie”.
Gu señaló que no es práctico eliminar todos los defectos durante la producción. “Una batería de estado sólido del mundo real está hecha de capas de láminas de cátodo, electrolito y ánodo apiladas. Sería casi imposible y muy costoso construirla sin siquiera las imperfecciones más pequeñas”, dijo. “Decidimos que una superficie protectora podría ser más realista y un poco de plata pareció funcionar bien”.
Interruptor de plata-litio
Estudios anteriores realizados por otros grupos de investigación examinaron recubrimientos de plata metálica aplicados a los mismos materiales de electrolitos sólidos utilizados en el nuevo estudio. El material se conoce como “LLZO” por su combinación de litio, lantano, circonio y oxígeno. Mientras que esos esfuerzos anteriores se centraron en la plata metálica, el equipo de Stanford adoptó un enfoque diferente al utilizar una forma disuelta que había perdido un electrón (Ag+).
Esta plata cargada positivamente se comporta de manera muy diferente a la plata metálica sólida. Según los investigadores, los iones Ag+ son directamente responsables de fortalecer la cerámica y reducir su tendencia a agrietarse.
Cómo funciona el tratamiento con plata
El equipo aplicó una capa de plata de sólo 3 nanómetros de espesor a la superficie de las muestras de LLZO y luego las calentó a 300°C (572°F). A medida que las muestras se calientan, los átomos de plata se mueven hacia la superficie del electrolito, reemplazando a los átomos de litio más pequeños dentro de la estructura cristalina porosa. Este proceso se extendió entre 20 y 50 nanómetros por debajo de la superficie.
Es importante destacar que la plata permanece en su forma iónica cargada positivamente en lugar de convertirse en plata metálica. Los investigadores creen que esto es importante para prevenir fracturas. En áreas donde ya existen microimperfecciones, los iones de plata evitan que el litio penetre y forme estructuras internas dañinas.
“Nuestro estudio muestra que el dopaje con plata a nanoescala puede cambiar fundamentalmente cómo se inician y propagan las grietas en la superficie del electrolito, creando electrolitos sólidos duraderos y resistentes a fallas para tecnologías de almacenamiento de energía de próxima generación”, dijo Jin Xu, quien dirigió la investigación como becario postdoctoral en Stanford y ahora es profesor asistente de ingeniería en la Universidad Estatal de Arizona.
“Este enfoque se puede extender a una amplia clase de cerámicas, lo que demuestra que los recubrimientos superficiales ultrafinos pueden hacer que los electrolitos sean menos frágiles y más estables en condiciones electroquímicas y mecánicas extremas, como carga rápida y estrés”, dijo Xu, quien trabajó en el laboratorio del profesor de Stanford William Chueh, director del Instituto Enford y director de la División Princeford. Escuela Doerr de Sostenibilidad.
Para medir qué tan fuerte se había vuelto el material tratado, los investigadores utilizaron una sonda especial dentro de un microscopio electrónico de barrido para probar cuánta fuerza se necesitaba para romper la superficie del electrolito. El material tratado con plata requirió aproximadamente cinco veces más presión que la muestra sin tratar.
Luego viene la clave para las baterías de estado sólido
Hasta ahora, las pruebas se han centrado en áreas pequeñas y localizadas en lugar de en celdas de batería enteras. Aún no está claro si este método basado en plata puede ampliarse a baterías más grandes, integrarse con otros componentes y mantener su rendimiento durante miles de ciclos de carga.
El equipo ahora está trabajando en celdas de batería de estado sólido de metal litio y explorando cómo la aplicación de tensión mecánica desde diferentes ángulos puede aumentar la vida útil de la batería. También están estudiando tipos adicionales de electrolitos sólidos, incluidos materiales a base de azufre que pueden ofrecer una mejor estabilidad química cuando se combinan con litio.
Los investigadores ven aplicaciones potenciales más allá del litio. Las baterías a base de sodio podrían beneficiarse de estrategias similares y ayudar a reducir la presión en la cadena de suministro ligada a la demanda de litio.
Puede que la plata no sea la única opción viable. Los investigadores dijeron que otros metales podrían funcionar, siempre que sus iones sean más grandes que los iones de litio que reemplazan en la estructura del electrolito. El cobre mostró cierto éxito en las primeras pruebas, aunque fue menos eficaz que la plata.
Junto con Gu y Chueh, el otro autor principal del estudio es el profesor de ingeniería Yu Cui de la Universidad de Brown. Los coautores principales de Stanford con Xu son Teng Cui, ahora profesor asistente en la Universidad de Waterloo; Geoff McConohy, ahora ingeniero de investigación en Orca Sciences; y el actual estudiante de doctorado Samuel S. Lee. Harsh Jagad, ex alumno de la Universidad de Brown y ahora director de tecnología de Metal Light, Inc., también es coautor principal del estudio.
