Electrolito sólido de sodio que combina alta conductividad con estabilidad electroquímica.

Un equipo de investigación del Departamento de Ingeniería de Información Eléctrica y Electrónica de la Universidad Tecnológica de Toyohashi desarrolló un Na sustituido con cloro (Cl)₃SbS₄ electrolito sólido para uso en baterías de iones de sodio (Na) de estado sólido. En comparación con la muestra sin sustitución de Cl, la conductividad iónica del Na₃SbS₄ electrolito sólido en el que el azufre (S) se sustituyó parcialmente con Cl mejorado hasta tres veces. El equipo también demostró que el Na sustituido por Cl₃SbS₄ tiene un marco de estructura cristalina que permite que los iones de Na se muevan más fácilmente en tres dimensiones, y descubrieron que la sustitución de Cl mostraba una estabilidad superior con los ánodos de metal de Na.

Debido al aumento de la demanda de almacenamiento de energía a gran escala, se está acelerando la investigación de baterías de iones de sodio (Na) totalmente en estado sólido que utilizan recursos de Na de bajo costo y abundantemente disponibles. Para utilizar baterías de iones de sodio totalmente de estado sólido en aplicaciones prácticas, se debe desarrollar un electrolito sólido con alta conductividad iónica a temperatura ambiente. Entre varios electrolitos sólidos de Na, Na₃SbS₄ Los electrolitos sólidos tienen una alta conductividad de 1 mS cm.^-1 o más a temperatura ambiente y, por lo tanto, se investigan ampliamente en todo el mundo. Sin embargo, para lograr la alta conductividad, se requiere un procesamiento posterior mediante molienda de bolas, y lograr una alta conductividad iónica a través de un proceso sintético más simple ha sido notablemente problemático.

Por lo tanto, el grupo de investigación utilizó un método de síntesis en fase líquida adecuado para la producción en masa para desarrollar un Na sustituido con Cl₃SbS₄ electrolito sólido. Sustituyendo parcialmente S en el Na₃SbS₄ electrolito sólido con Cl, aumentaron la conductividad iónica a temperatura ambiente en tres veces (0,9 mS cm^-1) en comparación con la muestra sin sustitución (0,3 mS cm^-1). Además, visualizaron la vía de conducción de iones para aclarar el efecto sobre las características de conducción por el cambio estructural que se produce debido a la sustitución de Cl. Como resultado, demostraron que la sustitución parcial de S en Na₃SbS₄ con Cl dio como resultado un enlace local suelto de iones de Na con S (o Cl), formando un marco de estructura cristalina con una interacción electrostática débil entre Na y S (o Cl) y promoviendo la difusión de iones particularmente a lo largo del eje c cristalográfico. El aumento de la conductividad iónica por sustitución de Cl se debe a la formación de una estructura cristalina con una vía de difusión de iones tridimensional.

Además, el equipo descubrió que el Na sustituido con Cl₃SbS₄ Los electrolitos sólidos mostraron una estabilidad superior con los ánodos de metal Na en comparación con la muestra sin sustitución de Cl. Demostraron que esta mejora en la estabilidad electroquímica estaba relacionada con una reducción en la resistencia interfacial entre el ánodo y el electrolito sólido y que el dopaje pesado con Cl era eficaz para mejorar la estabilidad con el ánodo.

El equipo de investigación descubrió un principio de diseño importante para desarrollar un electrolito sólido ideal con características deseables como alta conductividad iónica y estabilidad electroquímica superior. Creen que el electrolito sólido de esta investigación podría combinarse con la tecnología de recubrimiento en fase líquida para lograr una alta capacidad de almacenamiento y un ciclo estable para las baterías de iones de Na totalmente en estado sólido.