El 21 de agosto, el profesor MA Cheng, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC), y sus colaboradores propusieron una estrategia eficaz para abordar el problema del contacto entre el electrodo y el electrolito, que limita el desarrollo de baterías de litio de estado sólido de próxima generación. El electrodo compuesto sólido-sólido así creado mostró capacidades y rendimientos de velocidad excepcionales.
Reemplazar el electrolito líquido orgánico en las baterías convencionales de iones de litio por electrolitos sólidos puede mitigar considerablemente los problemas de seguridad y, potencialmente, romper el techo de cristal en la mejora de la densidad energética. Sin embargo, los materiales de electrodos convencionales también son sólidos. Dado que es casi imposible que el contacto entre dos sólidos sea tan estrecho como el que existe entre un sólido y un líquido, actualmente las baterías basadas en electrolitos sólidos suelen presentar un contacto electrodo-electrolito deficiente y un rendimiento de celda completa insatisfactorio.
“El problema del contacto entre electrodo y electrolito en las baterías de estado sólido es similar al de la duela más corta de un barril de madera”, afirmó el profesor MA Cheng, de la USTC, autor principal del estudio. “De hecho, a lo largo de los años, los investigadores han desarrollado numerosos electrodos y electrolitos sólidos excelentes, pero el deficiente contacto entre ellos sigue limitando la eficiencia del transporte de iones de litio”.
Afortunadamente, la estrategia de MA podría superar este formidable desafío. El estudio comenzó con el examen átomo por átomo de una fase de impurezas en un prototipo de electrolito sólido con estructura de perovskita. Si bien la estructura cristalina difería considerablemente entre la impureza y el electrolito sólido, se observó la formación de interfases epitaxiales. Tras una serie de análisis estructurales y químicos detallados, los investigadores descubrieron que la fase de impurezas es isoestructural con los electrodos estratificados ricos en Li de alta capacidad. Es decir, un prototipo de electrolito sólido puede cristalizar sobre la plantilla formada por la estructura atómica de un electrodo de alto rendimiento, lo que resulta en interfases atómicamente íntimas.
“Esto es realmente sorprendente”, afirmó el primer autor, LI Fuzhen, quien actualmente cursa el posgrado en la USTC. “La presencia de impurezas en el material es un fenómeno muy común, tan común que la mayoría de las veces se ignora. Sin embargo, tras examinarlas con detenimiento, descubrimos este comportamiento epitaxial inesperado, que inspiró directamente nuestra estrategia para mejorar el contacto sólido-sólido”.
En comparación con el método de prensado en frío comúnmente adoptado, la estrategia propuesta por los investigadores puede lograr un contacto completo y perfecto entre electrolitos sólidos y electrodos a escala atómica, como se refleja en la imagen de microscopía electrónica de resolución atómica (proporcionada por el equipo de MA).
Aprovechando el fenómeno observado, los investigadores cristalizaron intencionalmente el polvo amorfo con la misma composición que el electrolito sólido con estructura de perovskita sobre la superficie de un compuesto estratificado rico en litio, logrando un contacto completo y uniforme entre estos dos materiales sólidos en un electrodo compuesto. Una vez resuelto el problema del contacto electrodo-electrolito, este electrodo compuesto sólido-sólido ofreció una capacidad de velocidad comparable incluso a la de un electrodo compuesto sólido-líquido. Más importante aún, los investigadores también descubrieron que este tipo de contacto sólido-sólido epitaxial puede tolerar grandes desajustes de red, por lo que la estrategia propuesta podría aplicarse a muchos otros electrolitos sólidos de perovskita y electrodos estratificados.
“Este trabajo señaló una dirección que vale la pena seguir”, dijo MA. “Aplicar el principio planteado aquí a otros materiales importantes podría conducir a un rendimiento celular aún mejor y a una ciencia más interesante. Lo esperamos con ilusión”.
Los investigadores pretenden continuar su exploración en esta dirección y aplicar la estrategia propuesta a otros cátodos de alta capacidad y alto potencial.
El estudio se publicó en Matter, revista insignia de Cell Press, con el título "Contacto atómicamente íntimo entre electrolitos sólidos y electrodos para baterías de litio". El primer autor es LI Fuzhen, estudiante de posgrado de la USTC. Entre los colaboradores del profesor MA Cheng se encuentran el profesor NAN Ce-Wen, de la Universidad de Tsinghua, y el Dr. ZHOU Lin, del Laboratorio Ames.
(Escuela de Química y Ciencias de los Materiales)
Enlace del artículo: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Hora de publicación: 03-jun-2019