O 21 de agosto, o profesor MA Cheng da Universidade de Ciencia e Tecnoloxía da China (USTC) e os seus colaboradores propuxeron unha estratexia eficaz para abordar o problema do contacto eléctrodo-electrólito que está a limitar o desenvolvemento das baterías de litio de estado sólido de próxima xeración. O eléctrodo composto sólido-sólido creado deste xeito amosou capacidades e rendementos de velocidade excepcionais.
Substituír o electrolito líquido orgánico das baterías de ións de litio convencionais por electrolitos sólidos pode aliviar en gran medida os problemas de seguridade e, potencialmente, romper o "teito de cristal" para a mellora da densidade de enerxía. Non obstante, os materiais de eléctrodos convencionais tamén son sólidos. Dado que é case imposible que o contacto entre dous sólidos sexa tan íntimo como o que hai entre o sólido e o líquido, na actualidade as baterías baseadas en electrolitos sólidos adoitan presentar un contacto eléctrodo-electrolito deficiente e un rendemento insatisfactorio das celas completas.
«O problema do contacto entre os eléctrodos e os electrólitos das baterías de estado sólido é algo semellante ao da vara máis curta dun barril de madeira», afirmou o profesor MA Cheng, da USTC e autor principal do estudo. «De feito, ao longo destes anos, os investigadores xa desenvolveron moitos eléctrodos e electrólitos sólidos excelentes, pero o mal contacto entre eles segue a limitar a eficiencia do transporte de ións de litio».
Afortunadamente, a estratexia de MA pode superar este formidable desafío. O estudo comezou co exame átomo por átomo dunha fase de impureza nun prototipo de electrolito sólido con estrutura de perovskita. Aínda que a estrutura cristalina difería moito entre a impureza e o electrolito sólido, observouse que formaban interfaces epitaxiais. Tras unha serie de análises estruturais e químicas detalladas, os investigadores descubriron que a fase de impureza é isoestrutural cos eléctrodos en capas ricos en litio de alta capacidade. É dicir, un prototipo de electrolito sólido pode cristalizar no "modelo" formado pola estrutura atómica dun eléctrodo de alto rendemento, o que resulta en interfaces atomicamente íntimas.
«Isto é unha verdadeira sorpresa», dixo o primeiro autor, LI Fuzhen, que actualmente é estudante de posgrao da USTC. «A presenza de impurezas no material é en realidade un fenómeno moi común, tan común que a maioría das veces se ignoran. Non obstante, despois de observalas detidamente, descubrimos este comportamento epitaxial inesperado, e inspirou directamente a nosa estratexia para mellorar o contacto sólido-sólido».
En comparación co método de prensado en frío que se adopta habitualmente, a estratexia proposta polos investigadores pode lograr un contacto completo e sen fisuras entre electrolitos sólidos e eléctrodos a escala atómica, como se reflicte na imaxe de microscopía electrónica de resolución atómica. (Proporcionada polo equipo de MA.)
Aproveitando o fenómeno observado, os investigadores cristalizaron intencionadamente o po amorfo coa mesma composición que o electrolito sólido con estrutura de perovskita na superficie dun composto en capas rico en litio, e lograron un contacto completo e sen fisuras entre estes dous materiais sólidos nun eléctrodo composto. Unha vez solucionado o problema do contacto eléctrodo-electrolito, un eléctrodo composto sólido-sólido deste tipo ofreceu unha capacidade de velocidade incluso comparable á dun eléctrodo composto sólido-líquido. Máis importante aínda, os investigadores tamén descubriron que este tipo de contacto epitaxial sólido-sólido pode tolerar grandes desaxustes de rede e, polo tanto, a estratexia que propuxeron tamén podería ser aplicable a moitos outros electrólitos sólidos de perovskita e eléctrodos en capas.
«Este traballo sinalou unha dirección que paga a pena seguir», dixo MA. «A aplicación do principio exposto aquí a outros materiais importantes podería levar a un rendemento celular aínda mellor e a unha ciencia máis interesante. Agardamos con impaciencia que chegue».
Os investigadores pretenden continuar a súa exploración nesta dirección e aplicar a estratexia proposta a outros cátodos de alta capacidade e alto potencial.
O estudo publicouse en Matter, unha das revistas insignia de Cell Press, co título de “Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries” (Contacto atomicamente íntimo entre electrólitos sólidos e eléctrodos para baterías de litio). O primeiro autor é LI Fuzhen, estudante de posgrao da USTC. Entre os colaboradores do profesor MA Cheng están a profesora NAN Ce-Wen da Universidade de Tsinghua e o doutor ZHOU Lin do Laboratorio Ames.
(Facultade de Química e Ciencias dos Materiais)
Ligazón ao artigo: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Data de publicación: 03-06-2019