Nuevos conocimientos sobre la estructura de la batería de iones de litio

Hay muchos procesos durante la carga y descarga de una batería de iones de litio, algunos de los cuales aún no se comprenden completamente a pesar de la creciente prevalencia de la tecnología.

Observar tales eventos podría desbloquear formas de mejorar el rendimiento, pero no es una tarea fácil dada la compleja estructura de las baterías de iones de litio y las limitaciones de la tecnología de microscopio.

Los científicos del Centro Skoltech de  Moscú   han desarrollado una forma de observar más de cerca uno de estos procesos: la formación de una interfase de electrolitos sólidos (SEI), que los investigadores describieron como una «capa delgada de productos de reducción de electrolitos formados en la superficie [de] un ánodo de batería de iones de litio durante varios ciclos iniciales «.

La formación de tales películas, según el grupo Skoltech, es vital para mitigar la degradación de la batería. Sin embargo, la   medición in situ de la formación de SEI ha resultado difícil, y el reemplazo de materiales de baterías comerciales con alternativas más uniformes en el laboratorio ha sido la única forma de lograr resultados.

Sección transversal

«Los materiales aptos para baterías son polvos y la visualización de procesos dinámicos en su superficie mediante AFM [microscopía de fuerza atómica], especialmente en [un] entorno líquido, es un desafío», dijo el científico de Skoltech Sergey Luchkin. “Un electrodo de batería estándar es demasiado áspero para tales mediciones y las partículas aisladas tienden a desprenderse [del] sustrato durante el escaneo. Para superar este problema, incrustamos las partículas en la resina epoxi e hicimos una sección transversal para que las partículas se fijaran firmemente en el sustrato «.

Además del grafito pirolítico altamente orientado, uno de los materiales de carbono más uniformes utilizados anteriormente para estudiar las SEI, el grupo Skoltech aplicó su proceso de sección transversal a los electrodos de grafito de microesferas de mesocarbono y carbono amorfo no grafitizable, lo que permitió a los investigadores observar la formación. de la capa SEI y evaluar sus propiedades eléctricas y mecánicas.

Los resultados, publicados  muestran que las condiciones para la formación de SEI difieren significativamente dependiendo del material del electrodo. Se encontró que la adhesión SEI se correlaciona con la rugosidad de la superficie de un electrodo. Se descubrió que las superficies más rugosas provocan una degradación reducida ya que el SEI puede penetrar en la superficie más porosa y lograr una mejor adhesión.

Las diferencias

El enfoque de la sección transversal también se aplicó a los cátodos de litio, manganeso y cobalto y estos no mostraron signos de formación de la capa SEI. Ese resultado, según los científicos, sugirió que la investigación futura debería reconocer las diferencias fundamentales en los mecanismos de estabilización entre el ánodo y el cátodo en una batería de iones de litio.

Las investigaciones resueltas espacialmente de las interfaces de batería y las interfases, detalladas en este trabajo, proporcionan nuevas ideas significativas sobre la estructura y la evolución del SEI del ánodo. Por lo tanto, proporcionan pautas firmes para el diseño racional de electrolitos para permitir baterías de alto rendimiento con mayor seguridad.