Crédito:Taro Hitosugi e Instituto de Tecnologia de Tóquio
Cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio examinaram os mecanismos por trás da resistência na interface eletrodo-eletrólito de baterias totalmente sólidas. Suas descobertas ajudarão no desenvolvimento de baterias de íon-lítio muito melhores com taxas de carga / descarga muito rápidas.
Projetar e melhorar as baterias de íon de lítio (Li-ion) é crucial para estender os limites dos dispositivos eletrônicos modernos e veículos elétricos porque as baterias de íon de lítio são virtualmente onipresentes. Cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech), liderado pelo Prof. Taro Hitosugi, já havia relatado um novo tipo de bateria totalmente sólida, também com base em íons de lítio, que superou um dos maiores problemas dessas baterias:alta resistência na interface entre os eletrodos e os eletrólitos que limita o carregamento / descarregamento rápido.
Embora os dispositivos que eles produziram fossem muito promissores e muito melhores do que as baterias convencionais de íon-lítio em alguns aspectos, o mecanismo por trás da resistência reduzida da interface não estava claro. Tem sido difícil analisar as interfaces enterradas em baterias totalmente sólidas sem danificar suas camadas. Portanto, Hitosugi e sua equipe de pesquisadores investigaram novamente as baterias de estado sólido para lançar luz sobre este tópico. Eles suspeitaram que a cristalinidade (que indica o quão bem ordenado e periódico um sólido é) na interface eletrodo-eletrólito desempenhou um papel fundamental na definição da resistência da interface.
As baterias foram feitas empilhando filmes finos de Au (coletor de corrente), LiCoO2 (cátodo), Li3PO4 (eletrólito sólido), e Li (ânodo) em substrato Al2O3. (a) Visão esquemática em corte transversal e (b) fotografia de microscópio da bateria de película fina fabricada, Crédito: Materiais e interfaces aplicados ACS
Para provar isso, eles fabricaram duas baterias de estado sólido diferentes compostas de eletrodo e camadas de eletrólito usando uma técnica de deposição de laser pulsado. Uma dessas baterias presumivelmente tinha alta cristalinidade na interface eletrodo-eletrólito, enquanto o outro não. Confirmar isso foi possível usando uma nova técnica chamada análise de espalhamento de haste de truncamento de cristal de raios-X. "Os raios X podem atingir as interfaces enterradas sem destruir as estruturas, "explica Hitosugi.
Com base em seus resultados, a equipe concluiu que uma interface eletrodo-eletrólito altamente cristalina resultou em baixa resistência da interface, produzindo uma bateria de alto desempenho. Ao analisar a estrutura microscópica das interfaces de suas baterias, eles propuseram uma explicação plausível para o aumento da resistência das baterias com interfaces menos cristalinas. Os íons de lítio estão presos nas interfaces menos cristalinas, dificultando a condutividade do íon. "A fabricação controlada da interface eletrólito / eletrodo é crucial para obter baixa resistência de interface, "explica Hitosugi. O desenvolvimento de teorias e simulações para entender melhor a migração de íons de lítio será crucial para finalmente alcançar baterias úteis e aprimoradas para todos os tipos de dispositivos baseados em eletroquímica.
(a) No processo de alta, Os íons de lítio migram através do eletrólito sólido para a interface. Uma vez que o filme LiCoO2 é orientado para (0001), a migração de íons Li para LiCoO2 é impedida pelas camadas de CoO2 alinhadas paralelamente à superfície do substrato. Portanto, Os íons Li migram lateralmente na superfície do LiCoO2, e finalmente, difundir em limites de grão. (b) No caso da superfície desordenada de LiCoO2, a difusão de íons Li ao longo da superfície e no contorno do grão é restrita, resultando em um alto valor de resistência de interface. Crédito: Materiais e interfaces aplicados ACS
