Un equipo de investigación ha construido con éxito una red de conducción de iones de litio vítrea y ha desarrollado electrolitos sólidos de cloruro de tantalio amorfo (SE) con alta conductividad de iones de litio. Los resultados de la investigación fueron publicados en el Journal of the American Chemical Society.
El estudio muestra que en comparación con los SE cerámicos, los SE amorfos se distinguen por sus únicas redes vítreas inherentes para un contacto sólido-sólido íntimo y una extraordinaria percolación de la conducción de iones de litio. Además, los SE amorfos son propicios para una rápida conducción de iones de litio y son prometedores para lograr el uso efectivo de cátodos de alta capacidad y ciclado estable, lo que aumenta significativamente la densidad de energía de las baterías de litio sólido (ASSLBs).
Sin embargo, debido a la baja capacidad areal del cátodo de película delgada y la baja conductividad iónica a temperatura ambiente, la conducción de iones de litio amorfo de oxinitruro de fósforo (Li1.9PO3.3N0.5, LiPON) es inferior a las baterías de litio iónicas comerciales actuales en términos de densidad de energía/potencia. Para superar este desafío, es necesario desarrollar SE amorfos con alta conductividad de iones de litio y estabilidad química (o electroquímica) ideal.
Se ha revelado que los haluros cristalinos, compuestos en los que los halógenos tienen valencia negativa, incluidos fluoruros, cloruros, bromuros y yoduros, son prometedores para realizar ASSLBs de alta densidad energética debido a su alta estabilidad de voltaje y alta conductividad iónica. Sin embargo, todavía existen pocos estudios sobre el desarrollo de SE de cloruro amorfos.
Los investigadores propusieron una nueva clase de SE de cloruro amorfos con alta conductividad de iones de litio, demostrando una excelente compatibilidad con cátodos de alto contenido de níquel, y lograron una ASSLB de alta densidad energética con un amplio rango de temperaturas y ciclado estable. Los investigadores determinaron las características estructurales de la matriz amorfa de LiTaCl6 empleando una optimización global de caminata de superficie aleatoria combinada con una potencial de red neural global (SSW-NN) para una búsqueda de la superficie de energía completa y una espectroscopia de resonancia magnética nuclear en estado sólido unidimensional de litio para el desacoplamiento de los entornos químicos, ajuste de la estructura fina de absorción de rayos X y microscopía electrónica de transmisión a baja temperatura para la caracterización microestructural de la matriz.
Basado en la flexibilidad de su diseño de componentes, se prepararon además una serie de materiales compuestos de electrolitos sólidos de iones de litio de alto rendimiento y rentables, con la mayor conductividad de iones de litio a temperatura ambiente de hasta 7 mS cm-1, que cumplen con los requisitos de aplicación práctica de ASSLBs de alta magnificación.
Además, los investigadores verificaron la aplicabilidad de los ASSLBs construidos sobre la base de cloruros amorfos en un amplio rango de temperaturas, logrando una alta tasa (3.4 C) de casi 10,000 ciclos de operación estable en un entorno de congelación de -10°C. La flexibilidad de los componentes, la rápida conductividad iónica y la excelente estabilidad química y electroquímica de los SE de cloruro amorfos brindan nuevas ideas para el diseño de nuevos SE y la construcción de ASSLBs de alta relación.
Este avance amplía una serie de SE compuestos de alto rendimiento, supera las limitaciones de la estructura y el diseño de componentes de los SE cristalinos tradicionales y allana el camino para lograr cátodos de alto rendimiento con alto contenido de níquel para ASSLBs. El equipo de investigación fue liderado por el profesor Yao Hongbin de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC), en colaboración con el profesor Shang Cheng de la Universidad de Fudan y el profesor Tao Xinyong en la Universidad de Tecnología de Zhejiang.
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