Pesquisa no Sandia National Laboratories identificou um grande obstáculo para o avanço do desempenho da bateria de íon-lítio de estado sólido em pequenos aparelhos eletrônicos:o fluxo de íons de lítio através das interfaces da bateria.

O projeto de pesquisa e desenvolvimento dirigido por laboratório de Sandia, de três anos, investigou a química em nanoescala de baterias de estado sólido, focando na região onde os eletrodos e eletrólitos fazem contato. A maioria das baterias de íon-lítio comerciais contém um eletrólito líquido e dois eletrodos sólidos, mas as baterias de estado sólido, em vez disso, têm uma camada de eletrólito sólido, permitindo que durem mais e operem com mais segurança.

"O objetivo básico do trabalho é tornar as baterias de estado sólido mais eficientes e melhorar as interfaces entre os diferentes materiais, "O físico de Sandia Farid El Gabaly disse." Neste projeto, todos os materiais são sólidos; não temos uma interface líquido-sólido como nas baterias de íon de lítio tradicionais. "

A pesquisa foi publicada em um Nano Letras papel intitulado, "Migração não Faradaica de Li + e coordenação química em interfaces de bateria de estado sólido." Os autores incluem o cientista pós-doutorado Sandia Forrest Gittleson e El Gabaly. O trabalho foi financiado pelo programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório, com financiamento suplementar do Escritório de Ciência do Departamento de Energia.

El Gabaly explicou que em qualquer bateria de lítio, o lítio deve viajar para frente e para trás de um eletrodo para o outro quando é carregado e descarregado. Contudo, a mobilidade dos íons de lítio não é a mesma em todos os materiais e as interfaces entre os materiais são um grande obstáculo.

Acelerando o cruzamento

El Gabaly compara o trabalho a descobrir como fazer o tráfego se mover rapidamente em um cruzamento movimentado.

"Para nós, estamos tentando reduzir o congestionamento no cruzamento entre dois materiais, " ele disse.

El Gabaly comparou a interface eletrodo-eletrólito a uma cabine de pedágio ou fusão em uma rodovia.

"Basicamente, estamos eliminando o pedágio em dinheiro e dizendo que todos precisam seguir o caminho mais rápido, então você está suavizando ou eliminando as lentidões, "disse ele." Quando você melhora o processo na interface, você tem a infraestrutura certa para os veículos passarem facilmente. Você ainda tem que pagar, mas é mais rápido e mais controlado do que as pessoas que procuram moedas no porta-luvas. "

Existem duas interfaces importantes em baterias de estado sólido, ele explicou, na junção catodo-eletrólito e na junção eletrólito-ânodo. Qualquer um pode estar ditando os limites de desempenho de uma bateria cheia.

Gittleson acrescenta, “Quando identificamos um desses gargalos, nós perguntamos, - Podemos modificá-lo? E então tentamos mudar a interface e tornar os processos químicos mais estáveis ​​ao longo do tempo. "

O interesse de Sandia em baterias de estado sólido

El Gabaly disse que Sandia está interessada na pesquisa principalmente porque as baterias de estado sólido são de baixa manutenção. confiável e seguro. Eletrólitos líquidos são tipicamente reativos, voláteis e altamente inflamáveis ​​e são uma das principais causas de falha de baterias comerciais. A eliminação do componente líquido pode melhorar o desempenho desses dispositivos.

"Nosso foco não era em grandes baterias, como em veículos elétricos, "El Gabaly disse." Era mais para eletrônicos pequenos ou integrados. "

Uma vez que o laboratório de Sandia na Califórnia não conduziu pesquisas de baterias de estado sólido, o projeto construiu primeiro a base para prototipar baterias e examinar interfaces.

"Esse tipo de caracterização não é trivial porque as interfaces nas quais estamos interessados ​​têm apenas algumas camadas atômicas de espessura, ", Disse Gittleson." Usamos raios-X para sondar a química dessas interfaces enterradas, vendo através de apenas alguns nanômetros de material. Embora seja um desafio projetar experimentos, tivemos sucesso em sondar essas regiões e relacionar a química com o desempenho total da bateria. "

Processando a pesquisa

A pesquisa foi conduzida usando materiais que foram usados ​​em baterias de estado sólido de prova de conceito anteriores.

"Como esses materiais não são produzidos em grande escala comercial, precisávamos ser capazes de fabricar dispositivos completos no local, "El Gabaly disse." Procuramos métodos para melhorar as baterias inserindo ou alterando as interfaces de várias maneiras ou trocando materiais. "

O trabalho utilizou deposição de laser pulsado e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X combinada com técnicas eletroquímicas. Isso permitiu a deposição em escala muito pequena, uma vez que as baterias são finas e integradas em um wafer de silício.

"Usando este método, podemos projetar a interface até o nível do nanômetro ou até mesmo do subnanômetro, "Gittleson disse, acrescentando que centenas de amostras foram criadas.

Construir baterias dessa forma permitiu aos pesquisadores obter uma visão precisa da aparência dessa interface, porque os materiais podem ser montados de forma controlada.

A próxima fase da pesquisa é melhorar o desempenho das baterias e montá-las ao lado de outras tecnologias Sandia.

"Agora podemos começar a combinar nossas baterias com LEDs, sensores, pequenas antenas ou qualquer número de dispositivos integrados, "El Gabaly disse." Embora estejamos felizes com o desempenho de nossa bateria, podemos sempre tentar melhorá-lo mais. "