Las baterías de estado sólido (SSB) utilizan electrolitos de estado sólido, lo que proporciona una mayor seguridad, estabilidad a temperaturas más altas, mayor densidad de energía, tamaño compacto y durabilidad en comparación con las baterías tradicionales de iones de litio a base de electrolitos líquidos. Los SSB encuentran aplicaciones en dispositivos electrónicos portátiles y más.
Cómo afectan los electrodos gruesos a las reacciones electroquímicas en las baterías de estado sólido (SSB):
Recientemente, un equipo de investigación de la Universidad Northeastern en Boston y el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. realizó pruebas para investigar cómo la composición de los electrodos gruesos afecta las reacciones electroquímicas en las baterías de estado sólido (SSB). El equipo utilizó recursos de la Fuente Avanzada de Fotones (APS, por sus siglas en inglés), una instalación de oficina científica ubicada en la ubicación de Argonne del Departamento de Energía.
Configuración experimental:
Los investigadores compararon la batería con un sándwich, con los electrodos positivo y negativo a cada lado y el separador y el electrolito en el medio. Cuando la batería proporciona energía, los iones de litio fluyen desde el electrodo negativo al electrodo positivo a través del electrolito. Las SSB no requieren separadores tradicionales y, en su lugar, utilizan un electrolito de estado sólido para separar los electrodos positivo y negativo, lo que requiere electrodos positivos más gruesos.
En este estudio, el equipo evaluó electrodos positivos gruesos compuestos por dos materiales, incluido un electrolito sólido de sulfuro llamado LPSC y material activo de electrodo positivo (CAM) NMC (níquel, manganeso, cobalto). Los investigadores variaron la composición de estos dos materiales, con algunas baterías que contenían un 80% de CAM y un 20% de LPSC, otras que contenían un 70% de CAM y un 30% de LPSC, o un 40% de CAM y un 60% de LPSC. Luego, se utilizaron imágenes de rayos X y dispersión en seis cortes del electrodo positivo y el electrolito de estado sólido en la línea de luz APS 6-BM-A para medirlos.
Los investigadores segmentaron el electrodo positivo en rodajas, con la esperanza de que todas las rodajas realizaran la misma función. En realidad, la alteración de la composición o el grosor del electrodo positivo puede cambiar el lugar donde tienen lugar las reacciones electroquímicas. El equipo caracterizó las reacciones electroquímicas dentro de la batería. Cuando se estudian las baterías, a menudo se mide la potencia en ambos extremos. Sin embargo, hay una estructura compleja en el medio que determina el rendimiento de la batería. Mediante el uso de haces de rayos X para penetrar en los materiales de la batería, los investigadores pueden estudiar de forma no destructiva el rendimiento de varias partes dentro de la batería.
Resultados:
Los resultados indican que la composición del electrodo positivo tiene un impacto significativo en el proceso de reacción electroquímica. Por ejemplo, en la SSB con un electrodo positivo CAM del 80%, el corte del electrodo positivo más cercano al electrodo negativo reacciona primero y el corte más lejano reacciona más lentamente. Sin embargo, en la SSB con un electrodo positivo CAM del 80 %, el corte más lejano reacciona primero y el corte más cercano reacciona al final. Las alturas de reacción desiguales pueden conducir a una degradación más rápida de los materiales de la batería.
Conclusión:
Para diseñar mejores baterías, comprender las reacciones que ocurren dentro de la batería es un paso importante. Estas baterías se pueden utilizar en vehículos eléctricos, dispositivos electrónicos portátiles y otras aplicaciones. El diseño específico de las baterías de estado sólido determinará sus áreas de aplicación y la dirección para la optimización futura.
