20.01.2020 - The National Centres of Competence in Research (NCCR) MARVEL

Un nuevo enfoque de cribado computacional identifica los posibles electrolitos de estado sólido

La sustitución de los electrolitos líquidos o poliméricos volátiles e inflamables que se utilizan actualmente en las baterías de iones de litio por conductores cerámicos inorgánicos de estado sólido de iones de litio podría mejorar significativamente tanto la seguridad como el rendimiento de las celdas. Los conductores de estado sólido permitirían una novedosa química catódica y anódica, evitarían el crecimiento de dendritas de Li-metal e impulsarían la miniaturización.

Aunque los investigadores han investigado varias familias estructurales de prometedores conductores de Li-ion en estado sólido durante las últimas décadas, el hecho de que haya muchas propiedades deseadas -incluyendo la difusión rápida iónica/superiónica de los iones de Li, muy baja movilidad electrónica, amplias ventanas de estabilidad electroquímica, y alta estabilidad mecánica- significa que ningún material ha surgido como un candidato ideal para el desarrollo y por eso la búsqueda continúa.

Las investigaciones previas han sido en gran parte dirigidas por la intuición química y llevadas a cabo a través de la investigación experimental inmediata. La síntesis de compuestos iónicos y la medición de la conductividad iónica son tareas que requieren mucho trabajo y los resultados experimentales pueden ser difíciles de interpretar. Los métodos computacionales, por otro lado, son fáciles de automatizar y funcionan en paralelo. Es decir, pueden identificar eficientemente los materiales que merecen la molestia y el gasto de la investigación experimental en la búsqueda de nuevos electrolitos de estado sólido.

Los enfoques actuales para el cribado computacional se basan en simulaciones de la estructura electrónica para determinar el carácter aislante de un material y en simulaciones de dinámica molecular para predecir los coeficientes de difusión de Li-ion. Esto significa que se realizan miles de cálculos, por lo que la automatización y la reproducibilidad son esenciales. Los métodos computacionales deben ser lo suficientemente baratos para ser ejecutados para miles de materiales, pero lo suficientemente precisos para ser predictivos. En el documento High-throughput computational screening for solid-state Li-ion conductors, los investigadores presentan un nuevo marco que cumple con esos requisitos. Los compuestos de cribado a través de varias etapas de filtro computacional, prueban nuevas familias estructurales para los prometedores conductores Li-iónicos de una manera rentable y precisa.

El nuevo enfoque se utilizó para examinar dos depósitos de estructuras experimentales, el ICSD y el COD, que describen unas 1.400 estructuras cristalinas únicas entre ellos. Después de identificar los sistemas de aislamiento electrónico, los científicos usaron su recientemente introducido modelo de pinball -- un marco basado en observaciones físicas de cómo se comportan los electrones en un sistema iónico y que simplifica enormemente el modelado de los conductores iónicos -- para identificar los materiales que probablemente muestren una difusión iónica rápida. Se simularon entonces unas 115 estructuras identificadas con una dinámica molecular precisa de primer principio para un total de 45 nanosegundos a temperaturas altas e intermedias.

El enfoque resultó en la identificación de cinco materiales con difusión iónica rápida -algunos en el rango del bien conocido conductor superiónico Li10GeP2S12- así como 40 materiales que al menos mostraron una difusión significativa a 1000 K. Aunque no es posible decir si estos últimos materiales pueden ser considerados conductores de iones rápidos a temperaturas más bajas debido a las cortas escalas de tiempo del estudio, son prometedores para un estudio más detallado.

Los autores esperan que los datos, los nuevos métodos y las técnicas de análisis descritos en el artículo sean útiles en la búsqueda continua de nuevos descriptores de la difusión rápida de Li-ion en el estado sólido. Han puesto a disposición del público las simulaciones de los primeros principios realizadas en el papel en un archivo de código abierto en MaterialsCloud

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 Inglés se puede encontrar aquí.

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