Um passo mais perto das baterias de metal de lítio que funcionam com pressão externa mínima

Uma equipe de pesquisadores de baterias liderada pela Universidade da Califórnia em San Diego e pela Universidade de Chicago desenvolveu uma nova metodologia para produzir o eletrólito de estado sólido de filme fino potencialmente revolucionário chamado oxinitreto de fósforo e lítio (LiPON). A equipe implementou sua versão independente do filme LiPON em testes funcionais de bateria e descobriu que ela promove uma deposição eletroquímica de metal de lítio uniformemente densa sob pressão externa zero, com o auxílio de tensão compressiva interna e uma camada de semeadura de ouro. Este trabalho, realizado por uma equipe de pesquisadores de baterias liderada pela Universidade da Califórnia em San Diego e pela Universidade de Chicago, foi publicado na revista Nature Nanotechnology em 3 de agosto de 2023.

A equipe de pesquisa é liderada pela pesquisadora e professora de baterias Ying Shirley Meng, afiliada à Universidade de Chicago e à UC San Diego. O primeiro autor é Diyi Cheng, recém-formado Ph.D. no Programa de Ciência e Engenharia de Materiais da Escola de Engenharia Jacobs da UC San Diego, que continua seus esforços de pesquisa no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley. A equipe também inclui pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore e da UC Berkeley.

LiPON é um eletrólito de estado sólido de película fina que conduz íons de lítio e mostra uma forte promessa de emparelhamento com uma ampla gama de materiais de eletrodo para a indústria de baterias de lítio do futuro. No entanto, os métodos existentes para a produção de LiPON impediram os pesquisadores de compreender totalmente o material. Agora, a equipe encontrou uma maneira de produzir este eletrólito promissor de estado sólido em uma forma independente que permite que o LiPON seja estudado de forma mais abrangente. A nova abordagem para fabricar LiPON também abriu a porta para o uso desse eletrólito de estado sólido para permitir baterias de estado sólido de metal de lítio que poderiam funcionar sob pressão externa mínima.

O LiPON foi originalmente desenvolvido por um grupo de cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge em 1992. Apesar dos esforços contínuos de pesquisa nas últimas três décadas, permanece uma falta substancial de compreensão completa das propriedades intrínsecas do LiPON e de suas interfaces associadas, impedindo a promessa e o avanço. de materiais LiPON. Vários fatores que levam a esse dilema incluem:

Dados os desafios conhecidos no estudo do LiPON, a equipe desenvolveu uma nova metodologia para a produção de filmes LiPON de forma independente. O resultado é um filme LiPON (FS-LiPON) flexível e transparente que é compatível com uma ampla gama de técnicas espectroscópicas que têm maiores chances de desvendar as propriedades únicas do LiPON em relação às técnicas baseadas em difração. Este avanço rendeu novos insights, descritos no novo artigo da Nature Nanotechnology sobre a química interfacial, propriedades térmicas e propriedades mecânicas do LiPON. Os insights incluem:

Além de obter novos insights fundamentais sobre o LiPON, a equipe de pesquisa também implementou a nova versão independente do eletrólito de estado sólido em testes funcionais de baterias. A equipe relata que o filme fino FS-LiPON promove uma deposição eletroquímica de metal de lítio uniformemente densa sob pressão externa zero, com o auxílio de tensão compressiva interna e uma camada de semeadura de ouro. Esta descoberta fornece dicas valiosas sobre a engenharia de interface em baterias de estado sólido.

As baterias de película fina baseadas em LiPON têm mostrado grande potencial para wearables e outros dispositivos eletrônicos compactos com um mercado gigantesco. O filme FS-LiPON produzido neste trabalho descrito por Diyi Cheng et al. na Nature Nanotecnologia permitiu discussões aprofundadas sobre química interfacial, difusão de íons e engenharia de interface, que esclarecem os fundamentos e as aplicações dos materiais LiPON e podem beneficiar o desenvolvimento de baterias de estado sólido de lítio de várias maneiras.

“Um eletrólito de filme fino de oxinitreto de fósforo e lítio independente promove a deposição de metal de lítio uniformemente densa sem pressão externa”, em Nature Nanotechnology em 3 de agosto de 2023.