Iones "frustrados" para la batería sólida

06.08.2019

© Lunghammer - TU Graz

Una nueva clase de electrolitos sólidos para la batería sólida del mañana: cristalinos, pero similares a los electrolitos líquidos en términos de movilidad iónica.

Un equipo internacional con participación de TU Graz presenta un nuevo electrolito sólido para baterías: Muestra uno de los procesos de migración de litio más rápidos jamás medidos en un conductor de iones de litio.

Las baterías de estado sólido son actualmente la tecnología más prometedora para ayudar a la electromovilidad a lograr un gran avance. Las baterías con electrolitos sólidos en los que los iones de litio se mueven entre los electrodos son, por tanto, el "santo grial" de la investigación de baterías de estado sólido. Las ventajas de estos sistemas sobre las actuales baterías de iones de litio con electrolitos líquidos son evidentes: tienen una mayor densidad de energía y son significativamente más seguros debido a sus componentes no inflamables.

Sin embargo, lo que ha faltado hasta ahora son materiales adecuados con una conductividad iónica similar a la de los electrolitos líquidos. Junto con colegas de la Universidad Técnica de Munich y de la Universidad Católica de Lovaina de Bélgica, investigadores de la Universidad Técnica de Graz presentaron en la revista Chem un prometedor conductor de iones cristalinos con una movilidad de iones de litio notablemente alta; los coeficientes de difusión medidos superan a los mejores candidatos actuales.

Iones en una búsqueda inútil del espacio

El nuevo conductor iónico con la fórmula de suma LiTi2(PS4)3 es un tiofosfato de titanio de litio, de ahí la abreviatura LTPS. LTPS muestra una estructura cristalina inusual caracterizada por la llamada "frustración geométrica". A diferencia de otros conductores iónicos, la estructura cristalina de LTPS no ofrece lugares de residencia energéticamente favorecidos para los iones. Por lo tanto, nunca están satisfechos con su posición actual y, por lo tanto, están sujetos a la frustración. Los cálculos del grupo de Geoffroy Hautier de la Universidad Católica de Lovaina de Bélgica muestran que esta frustración de iones conduce a una movilidad de litio muy alta.

"Los iones de litio buscan más o menos'desesperadamente' un lugar adecuado y se mueven muy rápidamente a través de la estructura cristalográfica de LTPS. Queremos tener exactamente esta alta movilidad de iones en cuerpos electrolíticos para baterías sólidas", explica Martin Wilkening, del Instituto de Tecnología Química de Materiales de la Universidad Tecnológica de Graz y director del Laboratorio Christian Doppler para Baterías de Litio, ubicado allí.

Velocidad incluso a temperaturas muy bajas

El equipo de Wilkening pudo confirmar experimentalmente esta medida de alta movilidad calculada de los iones utilizando métodos de resonancia nuclear. Martin Wilkening: "Encontramos indicaciones claras de dos procesos de salto que apoyan plenamente los resultados de los cálculos. En la estructura de los LTPS, los iones de litio pueden saltar de un lado a otro en forma de anillo y de un anillo a otro. El paso final, el proceso entre anillos, permite el transporte de iones a larga distancia".

Incluso en condiciones criogénicas, es decir, a temperaturas extremadamente bajas, todavía no ha sido posible eliminar completamente los procesos de lúpulo intra-anillo de los iones de litio. Incluso a 20 Kelvin (menos 253 grados centígrados), los iones de litio siguen siendo móviles en la escala de sensibilidad de la espectroscopia de resonancia magnética nuclear y están buscando el pozo de potencial apropiado en el paisaje de energía muy plana de LTPS. Este comportamiento es extremadamente raro, dice Wilkening: "Cuando la temperatura baja, los iones pierden su energía térmica y su movilidad disminuye significativamente. Cabe destacar que en LTPS, sin embargo, todavía detectamos la movilidad de iones a temperaturas tan bajas. Esto muestra lo fuerte que es la necesidad de movimiento de los iones en LTPS". La temperatura de funcionamiento de una batería de combustible sólido, por ejemplo en un vehículo eléctrico, nunca será tan baja.

Representante de una nueva clase de material

LTPS es un representante de una nueva clase de electrolitos sólidos con este proceso de difusión superrápido, cuya causa es la frustración energética. Aunque son cristalinas, poseen propiedades de movimiento más similares a las de los electrolitos líquidos. El descubrimiento y la investigación experimental de LTPS es ahora el punto de partida para la búsqueda de nuevos compuestos en los que prevalece un mecanismo de conducción similar.

El estudio se realizó en colaboración con Toyota. UCLouvain ha presentado una patente para el descubrimiento de LTPS.

Socios colaboradores (por orden alfabético):

  • Toyota Engine Europe
  • TU Graz
  • TU Múnich
  • Universidad Católica de Lovaina (UCLouvain; Bélgica)
  • Toray Research Center (Japón)

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.

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