Deposición y desmontaje de litio en una batería de estado sólido a través de Coble creep

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Baterías de estado sólido

Sus antecedentes:

• Las baterías de metal de litio en estado sólido se enfrentan a desafíos con la tensión mecánica generada durante la deposición / extracción de litio, que potencialmente puede alcanzar 1 GPa.
• El mantenimiento de la estabilidad electroquímica y mecánica en la interfaz metal-electrolito de litio es crucial para la longevidad de la batería.

Objetivo del estudio:

• Investigar el comportamiento de deposición y desprendimiento de metales alcalinos dentro de los tubos de conductores iónicos-electrónicos mixtos (MIEC).
• Demostrar una nueva arquitectura para mitigar el estrés mecánico y mejorar la estabilidad de las baterías de metal de litio en estado sólido.

Principales métodos:

• Se utilizó microscopía electrónica de transmisión in situ (TEM, por sus siglas en inglés) para observar la deposición/desprendimiento de litio y sodio dentro de los tubos MIEC.
• Fabricación y ensayo de una celda completa de un centímetro de ancho utilizando cilindros MIEC, electrolito sólido y cátodo LiFePO4.

Principales resultados:

• Los metales alcalinos se depositan y se despojan como cristales individuales dentro de los tubos MIEC a través del arrastre difusional de Coble, aliviando efectivamente el estrés.
• Las interfaces MIEC/metal mostraron estabilidad electroquímica con litio, permitiendo la deposición/desprendimiento reversible a más de 10 micrómetros durante 100 ciclos.
• Una célula completa demostró una alta capacidad (164 mAh/g) y una degradación mínima durante 50 ciclos.

Conclusiones:

• La arquitectura de tubos MIEC se adapta eficazmente a las tensiones mecánicas y mantiene la estabilidad de la interfaz en las baterías de metal de litio en estado sólido.
• Este enfoque ofrece una solución viable a los desafíos críticos de la estabilidad química y mecánica en la interfaz litio-electrolito.
• La insensibilidad del diseño a la elección de materiales MIEC específicos sugiere una amplia aplicabilidad para arquitecturas de baterías avanzadas.