El papel del recocido en la mejora del rendimiento de las baterías de litio de estado sólido

Las baterías de litio de estado sólido se han convertido en la nueva moda en la ciencia e ingeniería de materiales, ya que las baterías de iones de litio convencionales ya no pueden cumplir con los estándares de tecnologías avanzadas, como los vehículos eléctricos, que exigen altas densidades de energía, carga rápida y ciclo largo. vive. Las baterías de estado sólido, que usan un electrolito sólido en lugar del electrolito líquido que se encuentra en las baterías tradicionales, no solo cumplen con estos estándares, sino que son comparativamente más seguras y convenientes, ya que tienen la posibilidad de cargarse en poco tiempo.

Sin embargo, el electrolito sólido viene con su propio desafío. Resulta que la interfaz entre el electrodo positivo y el electrolito sólido muestra una gran resistencia eléctrica cuyo origen no se comprende bien. Además, la resistencia aumenta cuando la superficie del electrodo se expone al aire, degradando la capacidad y el rendimiento de la batería. Si bien se han realizado varios intentos para reducir la resistencia, ninguno ha logrado reducirla a 10 Ω cm.² (ohmios por centímetro cuadrado), el valor de resistencia de interfaz informado cuando no se expone al aire.

Ahora, en un estudio reciente publicado en Materiales e interfaces aplicados ACS, un equipo de investigación dirigido por el Prof. Taro Hitosugi del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech), Japón, y Shigeru Kobayashi, un estudiante de doctorado en Tokyo Tech, finalmente pudo haber resuelto este problema. Al establecer una estrategia para restaurar la baja resistencia de la interfaz y desentrañar el mecanismo subyacente a esta reducción, el equipo ha proporcionado información valiosa sobre la fabricación de baterías de estado sólido de alto rendimiento. El estudio fue el resultado de una investigación conjunta de Tokyo Tech, el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST) y la Universidad de Yamagata.

Para empezar, el equipo preparó baterías de película delgada compuestas por un electrodo negativo de litio, un LiCoO₂ electrodo positivo, y un Li₃PO₄ electrolito sólido. Antes de completar la fabricación de una batería, el equipo expuso el LiCoO₂ superficie al aire, nitrógeno (N₂), oxígeno (O₂), dióxido de carbono (CO₂), hidrógeno (H₂) y vapor de agua (H₂O) durante 30 minutos.

Para su sorpresa, encontraron que la exposición a N₂, La₂, CO₂y H₂, no degradó el rendimiento de la batería en comparación con una batería no expuesta. “Solo H₂El vapor de O degrada fuertemente el Li₃PO₄ – LiCoO₂ interfase y aumenta su resistencia drásticamente a un valor más de 10 veces mayor que el de la interfase no expuesta”, dice el Prof. Hitosugi.

A continuación, el equipo realizó un proceso denominado “recocido”, en el que la muestra se sometió a un tratamiento térmico a 150 °C durante una hora en forma de batería, es decir, con el electrodo negativo depositado. Sorprendentemente, esto redujo la resistencia a 10.3 Ω cm², comparable al de la batería no expuesta!

Mediante la realización de simulaciones numéricas y mediciones de vanguardia, el equipo reveló que la reducción podría atribuirse a la eliminación espontánea de protones desde el interior del LiCoO.₂ estructura durante el recocido.

“Nuestro estudio muestra que los protones en el LiCoO₂ La estructura juega un papel importante en el proceso de recuperación. Esperamos que la aclaración de estos procesos microscópicos interfaciales ayude a ampliar el potencial de aplicación de las baterías de estado sólido”, concluye el profesor Hitosugi.