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La investigación de Argonne avanza baterías de estado sólido
Un estudio publicado en ACS Materials Cartas de investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) examinó electrolitos sólidos para baterías totalmente sólidas.Los hallazgos contribuyen al desarrollo de tecnologías de batería más seguras y eficientes en energía.
Las baterías de iones de litio alimentan una variedad de dispositivos, incluidos teléfonos celulares, computadoras portátiles y vehículos eléctricos.Dado su uso generalizado, los investigadores continúan explorando formas de mejorar la seguridad y la eficiencia de la batería.
Los electrolitos actúan como membranas que facilitan el transporte de iones de litio entre los electrodos positivos y negativos de una batería.A diferencia de las baterías de iones de litio convencionales, que utilizan electrolitos líquidos, las baterías de estado totalmente sólido emplean electrolitos sólidos.Estos materiales ofrecen una mayor densidad de energía, una vida útil más larga y una mejor seguridad, ya que no son volátiles ni inflamables.
Los electrolitos sólidos también son menos reactivos con metal de litio, lo que los hace más adecuados para electrodos de metal de litio en comparación con los electrolitos líquidos.El metal de litio tiene una mayor densidad de energía que el grafito, un material de electrodo convencional, porque todos sus átomos participan en los ciclos de carga y descarga.
El granate de circonio de lantio de litio (LLZO) es un electrolito sólido prometedor debido a su estabilidad, durabilidad y alta conductividad iónica, lo que permite un transporte eficiente de iones de litio entre electrodos.Los investigadores han explorado Doping Llzo con elementos como aluminio o galio para mejorar su conductividad.El dopaje implica la introducción de pequeñas cantidades de otro elemento para modificar las propiedades del material.
El dopaje con aluminio o galio ayuda a LLZO a retener su estructura más simétrica e introduce sitios vacantes que facilitan el movimiento de iones de litio, mejorando la conductividad.Sin embargo, el dopaje también puede aumentar la reactividad de Llzo con metal de litio, lo que puede reducir la vida útil del ciclo de la batería.
Para comprender esta compensación, los investigadores examinaron la interacción entre LLZO Doped y el litio metálico utilizando métodos computacionales y experimentales.Descubrieron que Gallium es más móvil y se forma fácilmente una aleación con litio, lo que lleva a su agotamiento de Llzo.Este agotamiento altera la estructura del granate de litio y reduce su conductividad iónica.En contraste, el llzo dopado con aluminio sigue siendo más estable.
LLZO dopado con galio ofrece una mayor conductividad iónica que el llzo dopado con aluminio, pero su reactividad con litio sugiere que es necesaria una capa interfacial para mantener la conductividad al tiempo que evita la degradación.
Estos hallazgos proporcionan información sobre cómo los diferentes dopantes influyen en el rendimiento y la estabilidad de Llzo, informando el desarrollo de baterías de estado sólido más confiables.
Al integrar los enfoques computacionales y experimentales, los investigadores midieron las propiedades clave de los materiales dopados al tiempo que obtuvieron información a nivel atómico sobre las interacciones entre el metal de litio y los electrolitos sólidos.
Utilizando la teoría funcional de densidad, un método computacional para modelar el comportamiento atómico y electrónico en los materiales, predijeron la estabilidad dopante y sus interacciones con otros componentes.
Pocas técnicas experimentales permiten un examen directo de la interfaz de electrodo electrolítico sólido, particularmente durante las reacciones electroquímicas en la operación de la batería.Tepavcevic señaló que estas interfaces están "enterradas" y no son fácilmente accesibles con los métodos experimentales convencionales.
Para analizar los cambios en la química de la superficie en LLZO, los investigadores utilizaron espectroscopía de fotoelectrones de rayos X.La espectroscopía de impedancia electroquímica se utilizó para estudiar la movilidad de iones de litio dentro del electrolito y en la interfaz electrolítica-electrodo.
La difracción de neutrones, otra técnica experimental, se utilizó para determinar las disposiciones atómicas en el material.Este método confirmó que el galio se volvió menos estable y más reactivo al interactuar con el litio, mientras que el aluminio permaneció estable.
El estudio se benefició de colaboraciones con instituciones como la Universidad de California, Santa Bárbara, que proporcionó muestras de LLZO de alta calidad.Los experimentos de difracción de neutrones se realizaron en el Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias Checas en la República Checa y el Zentrum Heinz Maier-Leibnitz en Alemania.
Zapol agregó: “El papel de la colaboración estadounidense alemana fue absolutamente crítico para este trabajo.Mirando hacia el futuro, estos hallazgos abren nuevas vías en la búsqueda internacional de baterías de estado sólido más seguras y eficientes ".
El estudio fue apoyado por la cooperación alemana de EE. UU. En el almacenamiento de energía, establecida por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE para la Oficina de Tecnologías de Vehículos para facilitar la investigación colaborativa sobre las baterías de litio.
Los contribuyentes de Argonne incluyen a Yisi Zhu, Justin Connell, Zachary Hood, Michael Counihan y Matthew Klenk, junto con Tepavcevic y Zapol.Jeff Sakamoto hizo contribuciones adicionales de la Universidad de California, Santa Bárbara;Charles Hervoches del Instituto de Física Nuclear de la Academia Checa de Ciencias;y Neelima Paul y Ralph Gilles del Heinz Maier-Leibnitz Zentrum.
Las baterías de iones de litio alimentan una variedad de dispositivos, incluidos teléfonos celulares, computadoras portátiles y vehículos eléctricos.Dado su uso generalizado, los investigadores continúan explorando formas de mejorar la seguridad y la eficiencia de la batería.
Los electrolitos actúan como membranas que facilitan el transporte de iones de litio entre los electrodos positivos y negativos de una batería.A diferencia de las baterías de iones de litio convencionales, que utilizan electrolitos líquidos, las baterías de estado totalmente sólido emplean electrolitos sólidos.Estos materiales ofrecen una mayor densidad de energía, una vida útil más larga y una mejor seguridad, ya que no son volátiles ni inflamables.
Los electrolitos sólidos también son menos reactivos con metal de litio, lo que los hace más adecuados para electrodos de metal de litio en comparación con los electrolitos líquidos.El metal de litio tiene una mayor densidad de energía que el grafito, un material de electrodo convencional, porque todos sus átomos participan en los ciclos de carga y descarga.
El granate de circonio de lantio de litio (LLZO) es un electrolito sólido prometedor debido a su estabilidad, durabilidad y alta conductividad iónica, lo que permite un transporte eficiente de iones de litio entre electrodos.Los investigadores han explorado Doping Llzo con elementos como aluminio o galio para mejorar su conductividad.El dopaje implica la introducción de pequeñas cantidades de otro elemento para modificar las propiedades del material.
El dopaje con aluminio o galio ayuda a LLZO a retener su estructura más simétrica e introduce sitios vacantes que facilitan el movimiento de iones de litio, mejorando la conductividad.Sin embargo, el dopaje también puede aumentar la reactividad de Llzo con metal de litio, lo que puede reducir la vida útil del ciclo de la batería.
Para comprender esta compensación, los investigadores examinaron la interacción entre LLZO Doped y el litio metálico utilizando métodos computacionales y experimentales.Descubrieron que Gallium es más móvil y se forma fácilmente una aleación con litio, lo que lleva a su agotamiento de Llzo.Este agotamiento altera la estructura del granate de litio y reduce su conductividad iónica.En contraste, el llzo dopado con aluminio sigue siendo más estable.
LLZO dopado con galio ofrece una mayor conductividad iónica que el llzo dopado con aluminio, pero su reactividad con litio sugiere que es necesaria una capa interfacial para mantener la conductividad al tiempo que evita la degradación.
Estos hallazgos proporcionan información sobre cómo los diferentes dopantes influyen en el rendimiento y la estabilidad de Llzo, informando el desarrollo de baterías de estado sólido más confiables.
Al integrar los enfoques computacionales y experimentales, los investigadores midieron las propiedades clave de los materiales dopados al tiempo que obtuvieron información a nivel atómico sobre las interacciones entre el metal de litio y los electrolitos sólidos.
Utilizando la teoría funcional de densidad, un método computacional para modelar el comportamiento atómico y electrónico en los materiales, predijeron la estabilidad dopante y sus interacciones con otros componentes.
Pocas técnicas experimentales permiten un examen directo de la interfaz de electrodo electrolítico sólido, particularmente durante las reacciones electroquímicas en la operación de la batería.Tepavcevic señaló que estas interfaces están "enterradas" y no son fácilmente accesibles con los métodos experimentales convencionales.
Para analizar los cambios en la química de la superficie en LLZO, los investigadores utilizaron espectroscopía de fotoelectrones de rayos X.La espectroscopía de impedancia electroquímica se utilizó para estudiar la movilidad de iones de litio dentro del electrolito y en la interfaz electrolítica-electrodo.
La difracción de neutrones, otra técnica experimental, se utilizó para determinar las disposiciones atómicas en el material.Este método confirmó que el galio se volvió menos estable y más reactivo al interactuar con el litio, mientras que el aluminio permaneció estable.
El estudio se benefició de colaboraciones con instituciones como la Universidad de California, Santa Bárbara, que proporcionó muestras de LLZO de alta calidad.Los experimentos de difracción de neutrones se realizaron en el Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias Checas en la República Checa y el Zentrum Heinz Maier-Leibnitz en Alemania.
Zapol agregó: “El papel de la colaboración estadounidense alemana fue absolutamente crítico para este trabajo.Mirando hacia el futuro, estos hallazgos abren nuevas vías en la búsqueda internacional de baterías de estado sólido más seguras y eficientes ".
El estudio fue apoyado por la cooperación alemana de EE. UU. En el almacenamiento de energía, establecida por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE para la Oficina de Tecnologías de Vehículos para facilitar la investigación colaborativa sobre las baterías de litio.
Los contribuyentes de Argonne incluyen a Yisi Zhu, Justin Connell, Zachary Hood, Michael Counihan y Matthew Klenk, junto con Tepavcevic y Zapol.Jeff Sakamoto hizo contribuciones adicionales de la Universidad de California, Santa Bárbara;Charles Hervoches del Instituto de Física Nuclear de la Academia Checa de Ciencias;y Neelima Paul y Ralph Gilles del Heinz Maier-Leibnitz Zentrum.