Un equipo de investigación del NIMS ha desarrollado una nueva técnica para obtener imágenes de los límites de los granos que obstruyen la migración de iones de litio en baterías de estado sólido, un tipo prometedor de batería de próxima generación.

Las baterías de estado sólido, baterías recargables de próxima generación, están destinadas a ser más seguras y tener mayor densidad de energía que las baterías de iones de litio convencionales al reemplazar los electrolitos orgánicos líquidos conelectrolitos sólidos.Un problema importante en la investigación y el desarrollo actuales de baterías de estado sólido es la obstrucción de la migración de iones de litio en las interfaces entre materiales activos y electrolitos sólidos y en los límites de grano dentro de los electrolitos sólidos.

Estas obstrucciones reducen las tasas de carga/descarga y reducendensidad de energíaen baterías.Un electrolito sólido está compuesto de granos cristalinos y los límites entre ellos.Los métodos de evaluación de la conductividad iónica existentes solo habían podido medir la conductividad iónica promedio a través de un electrolito sólido y no pudieron cuantificar la conductividad iónica en los límites de los granos individuales ni identificar los límites que restringen la migración iónica.

Este equipo de investigación logró obtener imágenes y cuantificar la migración/difusión iónica en los límites de los granos individuales dentro de un electrolito sólido utilizandoespectrometría de masas de iones secundarios(SIMS).SIMS permite obtener imágenes de la distribución de elementos químicos en una muestra de electrolito sólido pulverizando la superficie de la muestra con un haz de iones primario enfocado y recolectando y analizando iones secundarios expulsados.

El equipo primero reemplazó una porción de un isótopo de litio estable,⁷Li (número de masa: 7, abundancia natural: 92%), constituyendo una muestra de electrolito con otro isótopo de litio,⁶Li (número de masa: 6, abundancia natural: 8%), en el borde del espécimen mediante una técnica de intercambio de isótopos.

Luego, el equipo observó la difusión de⁶Li dentro de la muestra usando SIMS.Debido a que era imposible visualizar y cuantificar la distribución de las partículas de rápida difusión⁶Li usando SIMS convencionales, el equipo se ralentizó significativamente⁶Difusión de Li enfriando la muestra (es decir, crio-SIMS), lo que permite al equipo medir con precisión la⁶Distribución de Li e identificación de límites de grano que actúan como cuellos de botella para iónicos.migración.

La técnica crio-SIMS se puede utilizar para observar directamente los iones de litio.difusión, identificar interfaces/límites de granoactuando como cuellos de botella entre las muchas interfaces/límites existentes en una batería de estado sólido, y determinar las causas de estas obstrucciones.Se espera que este enfoque contribuya al desarrollo de sistemas de mayor rendimiento.baterías de estado sólido.

el trabajo espublicadoen elRevista de química de materiales A.

Más información:Gen Hasegawa et al, Visualización y evaluación de la difusión de litio en los límites de grano en electrolitos sólidos Li0.29La0.57TiO3 mediante espectrometría de masas de iones secundarios,Revista de química de materiales A(2023).DOI: 10.1039/D3TA05012B