Desarrollo de una nueva tecnología de fabricación a gran escala para electrolitos sólidos de sulfuro

Un grupo de investigación en el programa de doctorado del Departamento de Ingeniería de Información Eléctrica y Electrónica de la Universidad Tecnológica de Toyohashi que incluye al estudiante de doctorado Hirotada Gamo y al profesor asistente especialmente designado Jin Nishida, al profesor asociado especialmente designado Atsushi Nagai, al profesor asistente Kazuhiro Hikima, al profesor Atsunori Matsuda y otros, desarrollaron una tecnología de fabricación a gran escala de Li₇PAG₃S₁₁ electrolitos sólidos para baterías secundarias de iones de litio de estado sólido.

Este método implica la adición de una cantidad excesiva de azufre (S) junto con Li₂S y P₂S₅los materiales de partida de Li₇PAG₃S₁₁, a un disolvente que contiene una mezcla de acetonitrilo (ACN), tetrahidrofurano (THF) y una pequeña cantidad de etanol (EtOH). Esto ayudó a acortar el tiempo de reacción de 24 horas o más a solo dos minutos. El producto final obtenido con este método es Li de alta pureza.₇PAG₃S₁₁ sin una fase de impurezas que mostró una alta conductividad iónica de 1,2 mS·cm^-1 a 25 °C. Estos resultados nos permiten producir una gran cantidad de electrolitos sólidos de sulfuro para baterías de estado sólido a bajo costo. Los resultados de la investigación fueron publicados en línea por Investigación avanzada en energía y sostenibilidad el 28 de abril de 2022.

Detalles

Se espera que las baterías de estado sólido sean la próxima generación de baterías para vehículos eléctricos (EV) porque son muy seguras y permiten una transición a una alta densidad de energía y una alta potencia de salida. Los electrolitos sólidos de sulfuro, que muestran buena conductividad iónica y plasticidad, se han desarrollado activamente con miras a las aplicaciones para baterías de estado sólido en vehículos eléctricos. Sin embargo, no se ha establecido una tecnología de fabricación a gran escala de electrolitos sólidos de sulfuro a nivel de comercialización, ya que los electrolitos sólidos de sulfuro son inestables en la atmósfera y el proceso para sintetizarlos y procesarlos requiere control atmosférico. Por esta razón, existe una necesidad urgente de desarrollar la tecnología de fabricación en fase líquida de electrolitos sólidos de sulfuro que ofrezca bajo costo y alta escalabilidad.

li₇PAG₃S₁₁ Los electrolitos sólidos exhiben una alta conductividad iónica y, por lo tanto, son un electrolito sólido candidato para baterías de estado sólido. La síntesis en fase líquida de Li₇PAG₃S₁₁ generalmente ocurre en un solvente de reacción de acetonitrilo (ACN) a través de precursores que incluyen compuestos insolubles. Los procesos de reacción convencionales como este toman mucho tiempo ya que pasan por una reacción cinéticamente desventajosa desde un material de partida insoluble a un intermedio insoluble. Peor aún, es posible que el intermedio insoluble cree falta de uniformidad a través de una formación de fase complicada, lo que lleva a un aumento en los costos de fabricación a gran escala.

En este contexto, el grupo de investigación trabajó en el desarrollo de una tecnología para la producción en fase líquida de Li altamente conductor de iones.₇PAG₃S₁₁ electrolitos sólidos a través de soluciones precursoras uniformes. Se ha demostrado que el método desarrollado recientemente puede obtener una solución precursora uniforme que contiene polisulfuro de litio soluble (Li₂S_X) en solo dos minutos, agregando Li₂S y P₂S₅los materiales de partida de Li₇PAG₃S₁₁, y una cantidad excesiva de S a un disolvente que contiene una mezcla de ACN, THF y una pequeña cantidad de EtOH. La clave para la síntesis rápida en este método es la formación de polisulfuro de litio mediante la adición de una pequeña cantidad de EtOH o una cantidad excesiva de S.

Para dilucidar el mecanismo de la reacción en este método, se utilizó espectroscopia ultravioleta-visible (UV-Vis) para investigar la estabilidad química de Li₂S_X con y sin el EtOH añadido. El estudio mostró que la presencia de EtOH hizo que Li₂S_X más químicamente estable. Por lo tanto, la reacción en este método tomaría los siguientes pasos. Primero, los iones de litio están fuertemente coordinados con EtOH, un solvente altamente polar. A continuación, proteger los iones de polisulfuro contra los iones de litio estabiliza el S altamente reactivo₃^･– aniones radicales que son un tipo de polisulfuro. La S generada₃^･– ataca a la p₂S_5, rompiendo la estructura de jaula de P₂S₅ y hacer que la reacción progrese. La reacción forma tiofosfato de litio que se disuelve en un solvente mixto altamente soluble que contiene solventes ACN y THF. Esto puede haber ayudado a obtener soluciones precursoras uniformes muy rápidamente. El producto final, Li₇PAG₃S₁₁podría prepararse en dos horas sin necesidad de molienda de bolas o tratamiento de alta energía en el proceso de reacción.

La conductividad iónica del Li₇PAG₃S₁₁ obtenido utilizando este método fue de 1,2 mS cm^-1 a 25 °C, superior al Li₇PAG₃S₁₁ sintetizado utilizando el método de síntesis en fase líquida convencional (0,8 mS·cm^-1) o molienda de bolas (1,0 mS cm^-1). El método propone un nuevo camino para la síntesis de un electrolito sólido de sulfuro y logra una tecnología de fabricación a gran escala con bajo costo.

Perspectiva del futuro

El equipo de investigación cree que la tecnología de bajo costo para la fabricación a gran escala de electrolitos sólidos de sulfuro para baterías de estado sólido propuesta en esta investigación podría ser importante en la comercialización de vehículos eléctricos equipados con baterías de estado sólido. La investigación se centró en Li₇PAG₃S₁₁ para su uso como electrolito sólido de sulfuro. También queremos aplicar esta tecnología a la síntesis de electrolitos sólidos sulfurados distintos al Li₇PAG₃S₁₁.