17-mar-2023 (Noticias de Nanowerk) Se consideran el "Santo Grial" de la investigación de baterías: las llamadas "baterías de estado sólido". Ya no tienen un núcleo líquido, como es el caso de las baterías actuales, sino que se componen de un material sólido. Esto conlleva varias ventajas: entre otras cosas, estas baterías son más difíciles de encender y también se pueden fabricar a escala en miniatura. Los científicos del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros ahora han centrado su atención en el ciclo de vida de tales baterías y en los procesos específicos que lo reducen. Con sus hallazgos, se podrían realizar baterías de estado sólido más duraderas en el futuro. Sus hallazgos han sido publicados en (Nature Communications, “Comprender la evolución de las dendritas de litio en Li6.25Al0.25La3Zr2O12 límites de grano a través de técnicas de microscopía operando”).
Las baterías de estado sólido podrían ofrecer muchas ventajas en el futuro, incluso para su uso en automóviles eléctricos. (Imagen: Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros) Ya sea en un automóvil eléctrico, un teléfono celular o un destornillador inalámbrico, muchos dispositivos que se usan a diario ahora usan baterías recargables. Sin embargo, la tendencia también tiene sus desventajas. Por ejemplo, se prohibió el transporte de ciertos teléfonos móviles en los aviones o se incendiaron los coches eléctricos. Las baterías de iones de litio comerciales modernas son sensibles a la tensión mecánica.
Las baterías de estado sólido podrían ofrecer muchas ventajas en el futuro, incluso para el uso en automóviles eléctricos. Las llamadas “baterías de estado sólido” podrían ser un remedio. Estos ya no contienen un núcleo líquido, el llamado electrolito, sino que están compuestos completamente de material sólido, p. Conductor iónico de cerámica. Como resultado, son mecánicamente robustos, no inflamables, fáciles de miniaturizar e insensibles a las fluctuaciones de temperatura. Pero las baterías de estado sólido muestran sus problemas después de varios ciclos de carga y descarga: mientras que los polos positivo y negativo de la batería todavía están eléctricamente separados entre sí al principio, finalmente se conectan eléctricamente entre sí mediante procesos internos de la batería: “Litio dendritas” crecen lentamente en la batería. Estas dendritas de litio crecen paso a paso durante cada proceso de carga hasta conectar los dos polos. El resultado: la batería sufre un cortocircuito y “muere”. Sin embargo, hasta ahora, los procesos físicos exactos que tienen lugar en este proceso aún no se comprenden bien. Un equipo dirigido por Rüdiger Berger del departamento de Hans-Jürgen Butt ahora abordó el problema y utilizó un método de microscopía especial para investigar los procesos con más detalle. Investigaron la cuestión de dónde comienzan a crecer las dendritas de litio. ¿Es como en una cueva de piedra variable donde las estalactitas crecen desde el techo y las estalagmitas desde el suelo hasta que se unen en el medio y forman lo que se conoce como “estalagnas”? No hay arriba ni abajo en una batería, pero ¿crecen las dendritas del polo negativo al positivo o del polo positivo al negativo? ¿O crecen por igual de ambos polos? ¿O hay lugares especiales en la batería que conducen a la nucleación y luego al crecimiento dendrítico desde allí? El equipo de Rüdiger Berger analizó en particular los llamados "límites de grano" en el electrolito sólido cerámico. Estos límites se forman durante la producción de la capa sólida: los átomos en los cristales de la cerámica están dispuestos básicamente de manera muy regular. Sin embargo, debido a pequeñas fluctuaciones aleatorias en el crecimiento de los cristales, se forman estructuras similares a líneas donde los átomos están dispuestos de manera irregular, lo que se conoce como "límite de grano". Estos límites de grano son visibles con su método de microscopía, "Microscopía de fuerza de sonda Kelvin", en el que la superficie se escanea con una punta afilada. Chao Zhu, un estudiante de doctorado que trabaja con Rüdiger Berger dice: "Si la batería de estado sólido está cargada, la microscopía de fuerza con sonda Kelvin ve que los electrones se acumulan a lo largo de los límites del grano, especialmente cerca del polo negativo". Esto último indica que el límite de grano no solo cambia la disposición de los átomos de las cerámicas, sino también su estructura electrónica. Debido a la acumulación de electrones, es decir, partículas negativas: los iones de litio cargados positivamente que viajan en el electrolito sólido se pueden reducir a litio metálico. El resultado: se forman depósitos de litio y dendritas de litio. Si se repite el proceso de carga, la dendrita seguirá creciendo hasta que finalmente se conecten los polos de la batería. La formación de tales etapas iniciales para el crecimiento de las dendritas solo se observó en el polo negativo, también se observó solo en este polo. No se observó crecimiento en el polo positivo opuesto.
Las baterías de estado sólido podrían ofrecer muchas ventajas en el futuro, incluso para su uso en automóviles eléctricos. (Imagen: Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros) Ya sea en un automóvil eléctrico, un teléfono celular o un destornillador inalámbrico, muchos dispositivos que se usan a diario ahora usan baterías recargables. Sin embargo, la tendencia también tiene sus desventajas. Por ejemplo, se prohibió el transporte de ciertos teléfonos móviles en los aviones o se incendiaron los coches eléctricos. Las baterías de iones de litio comerciales modernas son sensibles a la tensión mecánica.Las baterías de estado sólido podrían ofrecer muchas ventajas en el futuro, incluso para el uso en automóviles eléctricos. Las llamadas “baterías de estado sólido” podrían ser un remedio. Estos ya no contienen un núcleo líquido, el llamado electrolito, sino que están compuestos completamente de material sólido, p. Conductor iónico de cerámica. Como resultado, son mecánicamente robustos, no inflamables, fáciles de miniaturizar e insensibles a las fluctuaciones de temperatura. Pero las baterías de estado sólido muestran sus problemas después de varios ciclos de carga y descarga: mientras que los polos positivo y negativo de la batería todavía están eléctricamente separados entre sí al principio, finalmente se conectan eléctricamente entre sí mediante procesos internos de la batería: “Litio dendritas” crecen lentamente en la batería. Estas dendritas de litio crecen paso a paso durante cada proceso de carga hasta conectar los dos polos. El resultado: la batería sufre un cortocircuito y “muere”. Sin embargo, hasta ahora, los procesos físicos exactos que tienen lugar en este proceso aún no se comprenden bien. Un equipo dirigido por Rüdiger Berger del departamento de Hans-Jürgen Butt ahora abordó el problema y utilizó un método de microscopía especial para investigar los procesos con más detalle. Investigaron la cuestión de dónde comienzan a crecer las dendritas de litio. ¿Es como en una cueva de piedra variable donde las estalactitas crecen desde el techo y las estalagmitas desde el suelo hasta que se unen en el medio y forman lo que se conoce como “estalagnas”? No hay arriba ni abajo en una batería, pero ¿crecen las dendritas del polo negativo al positivo o del polo positivo al negativo? ¿O crecen por igual de ambos polos? ¿O hay lugares especiales en la batería que conducen a la nucleación y luego al crecimiento dendrítico desde allí? El equipo de Rüdiger Berger analizó en particular los llamados "límites de grano" en el electrolito sólido cerámico. Estos límites se forman durante la producción de la capa sólida: los átomos en los cristales de la cerámica están dispuestos básicamente de manera muy regular. Sin embargo, debido a pequeñas fluctuaciones aleatorias en el crecimiento de los cristales, se forman estructuras similares a líneas donde los átomos están dispuestos de manera irregular, lo que se conoce como "límite de grano". Estos límites de grano son visibles con su método de microscopía, "Microscopía de fuerza de sonda Kelvin", en el que la superficie se escanea con una punta afilada. Chao Zhu, un estudiante de doctorado que trabaja con Rüdiger Berger dice: "Si la batería de estado sólido está cargada, la microscopía de fuerza con sonda Kelvin ve que los electrones se acumulan a lo largo de los límites del grano, especialmente cerca del polo negativo". Esto último indica que el límite de grano no solo cambia la disposición de los átomos de las cerámicas, sino también su estructura electrónica. Debido a la acumulación de electrones, es decir, partículas negativas: los iones de litio cargados positivamente que viajan en el electrolito sólido se pueden reducir a litio metálico. El resultado: se forman depósitos de litio y dendritas de litio. Si se repite el proceso de carga, la dendrita seguirá creciendo hasta que finalmente se conecten los polos de la batería. La formación de tales etapas iniciales para el crecimiento de las dendritas solo se observó en el polo negativo, también se observó solo en este polo. No se observó crecimiento en el polo positivo opuesto.
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- Fuente: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62611.php
