Figura. Theodosios Famprikis (graduado de doctorado por la Université de Picardie Jules Verne, Amiens, Francia desde el 10 de noviembre de 2020) dentro de la cabina experimental de la línea de luz MSPD del Sincrotrón ALBA.
Cerdanyola del Vallès, 16 de noviembre de 2020. En el área clave del almacenamiento sostenible de energía, las baterías de estado sólido han atraído una atención considerable debido a su potencial seguridad, densidad energética y los beneficios de su vida cíclica. Estas baterías están basadas en electrodos y electrolitos sólidos, en oposición a los electrolitos líquidos o basados en gel polímero que se encuentran en las baterías comerciales actuales de ion litio o polímero litio.
Un gran equipo internacional de investigación coordinado por Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides -LRCS (Francia), en colaboración con la University of Bath (Reino Unido), la Newcastle University (Reino Unido), la National University of Singapore, el Sincrotrón ALBA, el Institut Laue-Langevine (Francia), el Physico-Chimie des Electrolytes et Nano-systèmes Interfaciaux -PHENIX (Francia), el Advanced Photon Source of the Argonne National Laboratory (Estados Unidos), el Laboratoire de Physique de la Matière Condensée - LPMC (Francia), la University of Cambridge (Reino Unido), Institute of Inorganic and Analytical Chemistry, (University of Muenster, Alemania); y financiado por las redes Réseau sur le Stockage Électrochimique de l’Énergie (RS2E) y ALISTORE ERI, ha descrito los efectos de la presión sobre la estructura y la conductividad iónica de Na3PS4 , un tipo de electrolito sólido de tiofosfato.
El estudio separa los efectos extrínsecos ligados a la densificación y los efectos intrínsecos ligados al volumen de activación de la conducción. Estos mecanismos se pueden correlacionar las medidas de microtensión y del tamaño de las partículas determinados por difractogramas de Bragg de alta resolución angular en la línea de luz MSPD de ALBA. Los investigadores utilizaron diversas técnicas y llevaron a cabo experimentos singulares de espectroscopia de impedancia a presión variable.
“Los efectos de presión y mecanoquímicos aportan parámetros importantes para optimizar los electrolitos sólidos y, por extensión, mejorar la próxima generación de baterías. Las técnicas basadas en sincrotrón tienen un papel clave que jugar en la caracterización de estos rasgos tan sutiles que pueden tener un gran impacto en el comportamiento de materiales y dispositivos.” Comenta Theo Famprikis, primer autor de la publicación.
Los resultados de este estudio son de gran interesantes para el campo de las baterías de estado sólido como una tecnología de próxima generación para el almacenamiento electroquímico de energía a gran escala para permitir la producción de vehículos eléctricos y electricidad renovable.
Figura: Experimentos de difracción de sincrotrón que resaltan las diferencias entre la estructura promedio y local de Na3PS4 sintetizado mecanoquímicamente. La difracción de Bragg se midió en la línea de luz MSPD del Sincrotrón ALBA. La Función de Distribución por Pares se midió en la línea de luz 11-ID-B de la Advanced Photon Sopurce en el Argonne National laboratory (USA). La estructura puede ser descrita como un diseño cúbico corriente, que presenta distorsiones tetragonales localizadas.
Una aproximación multi-técnica
Las muestras de Na3PS4 se prepararon a través de síntesis de estado sólido clásica y mecanoquímica, respectivamente, para investigar los efectos de la mecanoquímica observados previamente en la conductividad iónica. A continuación, se investigaron estas muestras a través de difracción Bragg de rayos-X y de neutrones, dispersión total de rayos-X, Espectroscopia Raman, Espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear, Espectroscopia inelástica de Neutrones y espectroscopía de Impedancia.
Los científicos reportaron por primera vez el volumen de activación – el cambio de volumen necesario – para la migración del Na+ en el Na3PS4. Con este objetivo, se llevaron a cabo experimentos singulares midiendo espectros de impedancia mientras se aplicaba presión in-situ en una presa hidráulica uniaxial para sondear de forma directa los efectos de la presión en el transporte de iones.
Los experimentos de difracción se llevaron a cabo en fuentes de sincrotrón: los experimentos de difracción de Bragg tuvieron lugar en la línea de luz MSPD del Sincrotrón ALBA y los de Dispersión Total en el Advanced Photon Source del Argonne National Laboratory. La combinación de estos experimentos permitió caracterizar de forma precisa la estructura sobre múltiples escalas, desde la estructura local a escala angstrom (Å) hasta la estructura promedio a escala de décimas de nanómetros (nm), y la miscroestructura a escala micrométrica (μm). Esto resulta especialmente interesante en las muestras investigadas de bolas molidas de Na3PS4 en las que la estructura local – y promedio- no pueden ser descritas por el mismo patrón.
Actualmente ALBA ha aceptado una propuesta para llevar a cabo experimentos adicionales de difracción de Bragg a alta presión, para complementar estos resultados.
Referencia: Theodosios Famprikis, Ö. Ulaş Kudu, James A. Dawson, Pieremanuele Canepa, François Fauth, Emmanuelle Suard, Mohamed Zbiri, Damien Dambournet, Olaf J. Borkiewicz, Houssny Bouyanfif, Steffen P. Emge, Sorina Cretu, Jean-Noël Chotard, Clare P. Grey, Wolfgang G. Zeier, M. Saiful Islam, and Christian Masquelier. Under Pressure: Mechanochemical Effects on Structure and Ion Conduction in the Sodium-Ion Solid Electrolyte Na3PS4. Journal of the American Chemical Society, 2020. DOI: 10.1021/jacs.0c06668
