Un paso más cerca de las baterías de metal de litio que funcionan con una presión externa mínima

Jul 09, 2023

Un equipo de investigadores de baterías dirigido por la Universidad de California en San Diego y la Universidad de Chicago ha desarrollado una nueva metodología para producir un electrolito de estado sólido de película delgada potencialmente revolucionario llamado oxinitruro de fósforo y litio (LiPON). El equipo implementó su versión independiente de la película LiPON en pruebas de baterías funcionales y descubrió que promueve una deposición electroquímica de metal litio uniformemente densa bajo presión externa cero, con la ayuda de una tensión de compresión interna y una capa de siembra de oro. Este trabajo, realizado por un equipo de investigadores de baterías dirigido por la Universidad de California en San Diego y la Universidad de Chicago, se publicó en la revista Nature Nanotechnology el 3 de agosto de 2023.

El equipo de investigación está dirigido por la investigadora y profesora de baterías Ying Shirley Meng, afiliada a la Universidad de Chicago y a la UC San Diego. El primer autor es Diyi Cheng, un doctorado recientemente graduado. en el Programa de Ingeniería y Ciencia de Materiales de la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego, quien continúa sus esfuerzos de investigación en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. El equipo también incluye investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y UC Berkeley.

LiPON es un electrolito de estado sólido de película delgada que conduce iones de litio y es muy prometedor para combinarse con una amplia gama de materiales de electrodos para la industria de baterías de litio del futuro. Sin embargo, los métodos existentes para producir LiPON han impedido que los investigadores comprendan completamente el material. Ahora, el equipo encontró una manera de producir este prometedor electrolito de estado sólido en una forma independiente que permite estudiar LiPON de manera más completa. El nuevo enfoque para fabricar LiPON también ha abierto la puerta al uso de este electrolito de estado sólido para permitir baterías de estado sólido de metal litio que podrían funcionar bajo una presión externa mínima.

LiPON fue desarrollado originalmente por un grupo de científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge en 1992. A pesar de los continuos esfuerzos de investigación durante las últimas tres décadas, sigue existiendo una falta sustancial de comprensión profunda de las propiedades intrínsecas de LiPON y sus interfaces asociadas, lo que frena la promesa y el avance. de materiales LiPON. Varios factores que conducen a este dilema incluyen:

Dados los desafíos conocidos que plantea el estudio de LiPON, el equipo desarrolló una nueva metodología para producir películas LiPON de forma independiente. El resultado es una película LiPON (FS-LiPON) independiente, flexible y transparente que es compatible con una amplia gama de técnicas espectroscópicas que tienen mayores posibilidades de desentrañar las propiedades únicas de LiPON que las técnicas basadas en difracción. Este avance arrojó nuevos conocimientos, descritos en el nuevo artículo de Nature Nanotechnology sobre la química interfacial, las propiedades térmicas y las propiedades mecánicas de LiPON. Las ideas incluyen:

Además de obtener nuevos conocimientos fundamentales sobre LiPON, el equipo de investigación también implementó la nueva versión independiente del electrolito de estado sólido en pruebas de baterías funcionales. El equipo informa que la película delgada FS-LiPON promueve una deposición electroquímica de metal litio uniformemente densa bajo presión externa cero, con la ayuda de tensión de compresión interna y una capa de siembra de oro. Este hallazgo brinda sugerencias valiosas sobre la ingeniería de interfaces en baterías de estado sólido a granel.

Las baterías de película delgada basadas en LiPON han demostrado un gran potencial para dispositivos portátiles y otros dispositivos electrónicos compactos con un mercado gigantesco. La película FS-LiPON producida en este trabajo descrito por Diyi Cheng et al. en Nature Nanotechnology permitió debates en profundidad sobre química interfacial, difusión de iones e ingeniería de interfaces, que arrojaron luz tanto sobre los fundamentos como sobre las aplicaciones de los materiales LiPON, y podrían beneficiar el desarrollo de baterías de estado sólido de litio de muchas maneras.

“Un electrolito de película delgada independiente de oxinitruro de fósforo y litio promueve la deposición de metal de litio uniformemente densa sin presión externa”, en Nature Nanotechnology el 3 de agosto de 2023.

Diyi Cheng: Universidad de California en San Diego, Thomas Wynn: Universidad de California en San Diego, Bingyu Lu: Universidad de California en San Diego, Maxwell Marple: Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, Bing Han: Universidad de California en San Diego, Ryosuke Shimizu: Universidad de California San Diego, Bhagath Sreenarayanan: Universidad de California San Diego, Jeffery Bickel: Universidad de California Berkeley, Peter Hosemann: Universidad de California Berkeley, Yangyuchen Yang: Universidad de California San Diego, Han Nguyen: Universidad de California San Diego, Weikang Li: Universidad de California San Diego, Guomin Zhu: Universidad de California San Diego, Minghao Zhang: Universidad de California San Diego, Ying Shirley Meng: Universidad de Chicago y Universidad de California San Diego

Minghao Zhang en el Departamento de NanoIngeniería de la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego: Ying Shirley Meng en la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago y en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego.

Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) Fundación Nacional de Ciencias (NSF)

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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