BESSY II desvela los secretos de la degradación de las baterías de estado sólido

Las baterías de estado sólido presentan varias ventajas: pueden almacenar más energía y son más seguras que las baterías con electrolitos líquidos. Sin embargo, no duran tanto y su capacidad disminuye con cada ciclo de carga. Pero no tiene por qué seguir así: los investigadores ya están en la pista de las causas. En la revista ACS Energy Letters, un equipo del HZB y de la Justus-Liebig-Universität, Giessen, presenta un nuevo método para monitorizar con precisión las reacciones electroquímicas durante el funcionamiento de una batería de estado sólido mediante espectroscopia de fotoelectrones en BESSY II. Los resultados ayudan a mejorar los materiales y el diseño de las baterías.

Las baterías de estado sólido utilizan un conductor iónico sólido entre los electrodos de la batería en lugar de un electrolito líquido, lo que permite que el litio se transporte durante la carga y la descarga. Esto tiene ventajas que incluyen una mayor seguridad durante el funcionamiento y una capacidad generalmente mayor.  Sin embargo, la vida útil de las baterías de estado sólido sigue siendo muy limitada. Esto se debe a que se forman productos de descomposición e interfases en las interfaces entre el electrolito y el electrodo, lo que dificulta el transporte de los iones de litio y lleva a un consumo de litio activo, de modo que la capacidad de las baterías disminuye con cada ciclo de carga.

¿Qué ocurre durante el funcionamiento?

Ahora, un equipo dirigido por los investigadores del HZB, el Dr. Elmar Kataev y el Prof. Marcus Bär, ha desarrollado un nuevo enfoque para analizar las reacciones electroquímicas en la interfaz entre el electrolito sólido y el electrodo con alta resolución temporal. Kataev explica la pregunta de investigación: “¿En qué condiciones y a qué voltaje se producen estas reacciones, y cómo evoluciona la composición química de estas fases intermedias durante el funcionamiento de la célula?”.

Se examinó el mejor candidato LiPSCl

Para el estudio, analizaron muestras del electrolito sólido Li₆PS₅Cl, un material que se considera el mejor candidato para las baterías de estado sólido, ya que posee una alta conductividad iónica. Trabajaron en estrecha colaboración con el equipo del profesor Jürgen Janek, experto en baterías, de la Justus Liebig University Giessen (JLU Giessen). Una capa extremadamente fina de níquel (30 capas atómicas o 6 nanometros) sirvió como electrodo de trabajo. Se presionó una película de litio en el otro lado del pellet de Li₆PS₅Cl para que actuara como contraelectrodo.

Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X duros HAXPES

Para analizar las reacciones interfaciales y la formación de una intercapa (SEI) en tiempo real y en función del voltaje aplicado, Kataev utilizó el método de espectroscopia de fotoelectrones de rayos X duros (HAXPES) aprovechando las capacidades analíticas del Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL) en BESSY II: los rayos X golpean la muestra, excitando los átomos que hay en ella, y los productos de la reacción se pueden identificar a partir de los fotoelectrones emitidos en función del voltaje aplicado de la célula y el tiempo. Los resultados mostraron que las reacciones de descomposición eran sólo parcialmente reversibles.

Perspectivas: examen de diferentes materiales de batería

“Demostramos que es posible utilizar un colector de corriente ultradelgado para estudiar las reacciones electroquímicas en las interfaces enterradas mediante métodos de caracterización superficial”, afirma Kataev. El equipo del HZB ya ha recibido consultas de grupos de investigación de Alemania y del extranjero que también están interesados en este enfoque de caracterización. Como siguiente paso, el equipo del HZB quiere ampliar este enfoque e investigar también baterías con electrolitos poliméricos compuestos y una variedad de materiales de ánodo y cátodo.