Investigadores alemanes logran un análisis preciso de las cargas espaciales en las pilas de estado sólido

El MPI-P informa de que, en colaboración con colegas investigadores japoneses, ha investigado el fenómeno de los efectos de carga espacial, que introducen una resistencia adicional tanto durante la carga como durante la descarga de las baterías de estado sólido. Utilizando técnicas microscópicas avanzadas, el equipo afirma haber podido "determinar por primera vez la extensión espacial y la resistencia resultante de la zona de carga espacial".

Según los investigadores, los efectos de carga espacial han obstaculizado anteriormente el rendimiento de las pilas de estado sólido, formándose principalmente en el electrodo positivo. El estudio ofrece ahora una base para mitigar estos efectos modificando las estructuras o los materiales de los electrodos, afirma el MPI-P. El equipo ha publicado recientemente sus hallazgos en la revista 'ACS Nano'.

El efecto se produce principalmente en el electrodo positivo

"Una pila es una especie de bomba", explica Rüdiger Berger, jefe de grupo del MPI-P. "Los iones, o átomos cargados, se mueven en el interior de la pila, que debe equilibrarse en el exterior con un flujo de electrones y, por tanto, con un flujo de corriente". A medida que los iones migran dentro de la pila, puede desarrollarse una capa de carga espacial en las interfaces internas, que repele a otros iones que migran. "Esta capa de carga crea una resistencia adicional y, por tanto, pérdidas dentro de la pila", señalan los investigadores.

El equipo alemán descubrió que este efecto es más pronunciado en el electrodo positivo, donde se forma una capa de carga más fina de 50 nanómetros, comparable a la parte más fina de una pompa de jabón. Además, los investigadores descubrieron que la capa de carga espacial es dinámica, lo que significa que su comportamiento varía en función del estado de carga de la batería. Aunque esta capa representa aproximadamente el siete por ciento de la resistencia total de la pila, su impacto puede variar significativamente en función de los materiales electrolíticos utilizados.

Hasta ahora, el tamaño de esta capa de carga y su influencia en el flujo de corriente han sido poco conocidos, según el MPI-P. "Varios equipos de investigación de todo el mundo ya han investigado este efecto en estudios anteriores, pero dependiendo del método utilizado, llegaron a estimaciones completamente diferentes del grosor de la capa de carga". Para solucionar este problema, el equipo internacional dirigido por Berger empleó dos técnicas microscópicas para investigar dónde y cómo se forma la capa de carga. El reto, explican, era analizar la interfaz de una batería modelo casi en tiempo real y a través de diferentes estados de carga.

Nuevas técnicas para profundizar en tiempo real

El equipo construyó una batería modelo de película fina y la analizó mediante microscopía de fuerza de sonda Kelvin y análisis de reacciones nucleares. "Gracias a la microscopía de fuerza con sonda Kelvin, pudieron escanear la sección transversal de la pila -una pila cortada, por así decirlo- con una aguja fina y conocer mejor la influencia local del voltaje y observar los potenciales eléctricos en tiempo real", explican los investigadores. El análisis de la reacción nuclear les permitió además detectar la acumulación de litio en la interfaz con el electrodo positivo de la pila.

"Ambas técnicas son nuevas en la investigación de baterías y también pueden utilizarse para otras cuestiones en el futuro", afirmó Taro Hitosugi, de la Universidad de Tokio. Mediante nuevas investigaciones, el equipo pretende identificar métodos para reducir la resistencia y mejorar el rendimiento de las baterías de estado sólido optimizando los materiales o las estructuras de los electrodos.

mpip-mainz.mpg.de

Este artículo fue publicado por primera vez por Cora Werwitzke para la edición alemana de electrive.