Figura. Theodosios Famprikis (graduat de doctorat per la Université de Picardie Jules Verne, Amiens, França des del 10 de novembre de 2020) dins de la cabina experimental de la línia de llum MSPD del Sincrotró ALBA.
Cerdanyola del Vallès, 16 de novembre de 2020. A l'àrea clau de l'emmagatzematge sostenible d'energia, les bateries d'estat sòlid han atret una atenció considerable a causa de la seva potencial seguretat, densitat energètica i els beneficis de la seva vida cíclica. Aquestes bateries estan basades en elèctrodes i electròlits sòlids, en oposició als electròlits líquids o basats en gel polímer que es troben en les bateries comercials actuals d'ió liti o polímer liti.
Un gran equip internacional de recerca coordinat per Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides -LRCS (França), en colaboració amb la University of Bath (Regne Unit), la Newcastle University (Regne Unit), la National University of Singapore, el Sincrotró ALBA, l’Institut Laue-Langevine (França), el Physico-Chimie des Electrolytes et Nano-systèmes Interfaciaux -PHENIX (França), l’Advanced Photon Source of the Argonne National Laboratory (Estats Units), el Laboratoire de Physique de la Matière Condensée - LPMC (França), la University of Cambridge (Regne Unit), Institute of Inorganic and Analytical Chemistry, (University of Muenster, Alemanya); i fnançat per les xarxes Réseau sur le Stockage Électrochimique de l’Énergie (RS2E) i ALISTORE ERI, ha descrit els efectes de la pressió sobre l'estructura i la conductivitat iònica del Na3PS4, un tipus d'electròlit sòlid de tiofosfat.
L'estudi separa els efectes extrínsecs lligats a la densificació i els efectes intrínsecs lligats al volum d'activació de la conducció. Aquests mecanismes es poden correlacionar les mesures de microtensió i de la mida de les partícules determinades per difractogrames de Bragg d'alta resolució angular en la línia de llum MSPD d'ALBA. Els investigadors van utilitzar diverses tècniques i van dur a terme experiments singulars d'espectroscòpia d'impedància a pressió variable.
"Els efectes de pressió i mecanoquímics aporten paràmetres importants per optimitzar els electròlits sòlids i, per extensió, millorar la propera generació de bateries. Les tècniques basades en sincrotró tenen un paper clau a jugar en la caracterització d'aquests trets tan subtils que poden tenir un gran impacte en el comportament de materials i dispositius." Comenta Theo Famprikis, primer autor de la publicació.
Els resultats d'aquest estudi són de gran interès per al camp de les bateries d'estat sòlid com una tecnologia de pròxima generació per a l'emmagatzematge electroquímic d'energia a gran escala per permetre la producció de vehicles elèctrics i electricitat renovable.
Figura: Experiments de difracció de sincrotró que ressalten les diferències entre l'estructura mitjana i local de Na3PS4 sintetitzat mecanoquímicament. La difracció de Bragg es va mesurar en la línia de llum MSPD del Sincrotró ALBA. La Funció de Distribució per Parells es va mesurar en la línia de llum 11-ID-B de l'Advanced Photon Sopurce a l'Argonne National Laboratory (USA). L'estructura pot ser descrita com un disseny cúbic corrent, que presenta distorsions tetragonals localitzades.
Una aproximació multitècnica
Les mostres de Na3PS4 es van preparar mitjançant síntesi d'estat sòlid clàssica i mecanoquímica, respectivament, per investigar els efectes de la mecanoquímica observats prèviament en la conductivitat iònica. A continuació, es van investigar aquestes mostres mitjançant difracció Bragg de raigs-X i de neutrons, dispersió total de raigs-X, Espectroscòpia Raman, Espectroscòpia de Ressonància Magnètica Nuclear, Espectroscòpia inelàstica de neutrons i espectroscòpia d'Impedància.
Els científics van reportar per primera vegada el volum d'activació - el canvi de volum necessari - per a la migració del Na+ al Na3PS4. Amb aquest objectiu, es van dur a terme experiments singulars mesurant espectres d'impedància mentre s'aplicava pressió in-situ en una presa hidràulica uniaxial per sondejar de manera directa els efectes de la pressió en el transport de ions.
Els experiments de difracció es van dur a terme en fonts de sincrotró: els experiments de difracció de Bragg van tenir lloc en la línia de llum MSPD del Sincrotró ALBA i els de Dispersió Total en l'Advanced Photon Source de l'Argonne National Laboratory. La combinació d'aquests experiments va permetre caracteritzar de manera precisa l'estructura sobre múltiples escales, des de l'estructura local a escala angstrom (Å) fins a l'estructura mitjana a escala de dècimes de nanòmetres (nm), i la miscroestructura a escala micromètrica (μm). Això resulta especialment interessant en les mostres investigades de boles mòltes de Na3PS4 en què l'estructura local - i mitjana- no poden ser descrites pel mateix patró.
Actualment ALBA ha acceptat una proposta per dur a terme experiments addicionals de difracció de Bragg a alta pressió, per complementar aquests resultats.
Referència: 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
