Investigadores de la Universidad de Ciencias de Tokio demostraron un control sin precedentes de la velocidad de respuesta en más de dos órdenes de magnitud en una batería de estado sólido. Se trata de un paso importante hacia la fabricación de baterías comerciales totalmente de estado sólido.
La elevada resistencia superficial de las baterías de estado sólido hace que su rendimiento sea bajo, lo que limita sus aplicaciones. Los investigadores han empleado una técnica novedosa para investigar y modular la dinámica de la doble capa eléctrica en la interfaz sólido/sólido del electrolito. El resultado es la modulación del portador y la mejora del control de la velocidad de conmutación de estas baterías.
El artículo en el que se detalla la técnica se ha publicado en el volumen 31 de la revista Materials Today Physics.
Las baterías de iones de litio de estado totalmente sólido (ASS-LIB) son muy prometedoras en la búsqueda de energía limpia y neutralidad de carbono. Se espera que las ASS-LIB se utilicen en una amplia gama de aplicaciones, incluidos los vehículos eléctricos (VE). Sin embargo, la aplicación comercial de estas baterías se enfrenta actualmente a un cuello de botella: su rendimiento es reducido debido a su elevada resistencia superficial. Además, hasta ahora se desconocía el mecanismo exacto de esta resistencia superficial. Los investigadores han aludido a un fenómeno denominado efecto de «doble capa eléctrica» (o EDL) que se observa en las sustancias coloidales (que son dispersiones microscópicas de un tipo de partícula en otra sustancia).
El efecto EDL se produce cuando las partículas coloidales adquieren carga eléctrica negativa al adsorber en su superficie los iones cargados negativamente del medio de dispersión.
El Dr. Tohru Higuchi, profesor asociado de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS), explicó: «Esto ocurre en la interfase sólido/sólido del electrolito, lo que plantea un problema en las baterías de litio de estado totalmente sólido».
El Dr. Higuchi, junto con sus colegas el Dr. Makoto Takayanagi, de la TUS, y el Dr. Takashi Tsuchiya y el Dr. Kazuya Terabe, del Instituto Nacional de Ciencia de los Materiales de Japón, han ideado una novedosa técnica para evaluar cuantitativamente el efecto EDL en la interfase sólido/sólido electrolito.
Los investigadores emplearon un transistor EDL (EDLT) de diamante terminado en hidrógeno (diamante H) de estado sólido para realizar mediciones Hall y mediciones de respuesta a impulsos que determinaron las características de carga del EDL. Al insertar una capa intermedia nanométrica de niobato de litio o fosfato de litio entre el diamante H y el electrolito sólido de litio, el equipo pudo investigar la respuesta eléctrica del efecto EDL en la interfaz entre estas dos capas.
Efectivamente, la composición del electrolito influyó en el efecto EDL en una pequeña región alrededor de la interfaz del electrodo. El efecto EDL se redujo cuando se introdujo un determinado electrolito como capa intermedia entre la interfaz electrodo/electrolito sólido. La capacitancia EDL de la interfaz fosfato de litio/H-diamante era mucho mayor que la de la interfaz niobato de litio/H-diamante.
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El artículo del equipo también explica cómo mejoraron el tiempo de respuesta de conmutación para cargar los ASS-EDL. El Dr. Higuchi señaló: «Se ha demostrado que el EDL influye en las propiedades de conmutación, por lo que consideramos que el tiempo de respuesta de conmutación para cargar los ASS-EDL podría mejorarse en gran medida controlando la capacitancia del EDL. Utilizamos la propiedad no permeable a los iones del diamante en la capa de electrones del transistor de efecto de campo y la combinamos con varios conductores de litio».
La capa intermedia aceleró y desaceleró la velocidad de carga del EDL. El tiempo de respuesta eléctrica del EDLT era muy variable: oscilaba entre unos 60 milisegundos (conmutación a baja velocidad para la interfaz de fosfato de litio/H-diamante) y unos 230 microsegundos (conmutación a alta velocidad para la interfaz de niobato de litio/H-diamante). Sin embargo, el equipo logró controlar la velocidad de carga de la EDL en más de dos órdenes de magnitud.
En resumen, los investigadores lograron la modulación del portador en dispositivos de estado sólido y mejoraron sus características de carga. «Estos resultados de nuestra investigación sobre la capa conductora de iones de litio son importantes para mejorar la resistencia de la interfaz y pueden conducir a la realización de baterías de estado totalmente sólido con excelentes características de carga-descarga en el futuro», señaló el Dr. Higuchi.
Hasta ahora, se trata de un paso importante hacia el control de la resistencia de la interfaz de las ASS-LIB, que cataliza su viabilidad para muchas aplicaciones. También ayudará a diseñar mejores dispositivos basados en electrolitos sólidos, una clase de artilugios que también incluye los dispositivos neuromórficos.
El diseño en estado sólido tiene algunas características muy atractivas. Por ahora, el diseño de la arquitectura no coopera. Parece que este equipo ha revelado que los electrodos se cubren a sí mismos, restringiendo así el flujo y, a su vez, la energía.
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