18.09.2020 - Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Un estudio de alta presión avanza en la comprensión de la prometedora batería materials

La investigación de rayos X muestra una distorsión sistemática de la red cristalina de óxidos de alta entropía

En un estudio de rayos X de alta presión, los científicos han obtenido nuevos conocimientos sobre las características de una nueva y prometedora clase de materiales para baterías y otras aplicaciones. El equipo dirigido por Qiaoshi Zeng del Centro para la Ciencia de la Alta Presión en China utilizó los brillantes rayos X de la fuente de luz de investigación de DESY, PETRA III, para analizar el llamado óxido de alta entropía (HEO) bajo una presión cada vez mayor. El estudio, publicado en la revista Materials Today Advances es un primer paso, pero muy importante, que allana el camino para una imagen más amplia y una sólida comprensión de los materiales de HEO.

La sociedad moderna exige a la industria que fabrique de manera eficiente productos sostenibles para la vida cotidiana, por ejemplo, baterías para teléfonos inteligentes. Hace unos cinco años, surgió una nueva clase de materiales que parece ser muy prometedora para el diseño de nuevas aplicaciones, especialmente baterías. Estos óxidos de alta entropía consisten en al menos cinco metales que se distribuyen aleatoriamente en una red cristalina simple común, mientras que su estructura cristalina puede ser diferente de la red genérica de cada metal. Un ejemplo popular de un material HEO consiste en un 20% de cobalto, cobre, magnesio, níquel y zinc por cada átomo de oxígeno, o (Co0.2Cu0.2Mg0.2Ni0.2Zn0.2)O.

"El grupo de materiales de los sistemas de alta entropía que van desde las aleaciones metálicas hasta los sistemas cerámicos pueden satisfacer la demanda de productos inteligentes en un espacio de composición multidimensional casi infinito para varias áreas de nuestra vida cotidiana", dice Zeng. "En particular, los óxidos de alta entropía ofrecen propiedades excepcionales, que pueden emplearse en aplicaciones industriales como el transporte y las tecnologías aviónicas, pero también en diversas formas en dispositivos de electrónica de consumo como las baterías de los teléfonos inteligentes". Por ejemplo, una implementación de HEO en forma de material de membrana podría hacer más robustas las futuras baterías de Li-ion. La comprensión de estos nuevos materiales requiere un enfoque científico multidisciplinario para revelar los secretos de la eficiencia, la sostenibilidad y la física implicada. "Por el momento carecemos de una comprensión completa y de una visión más amplia del origen de la eficiencia", dice Zeng.

Se cree que la distorsión de la red es inevitable y desempeña un papel importante en el control de la estructura y las propiedades superiores de los HEO. El equipo estudió el óxido de alta entropía (Co0.2Cu0.2Mg0.2Ni0.2Zn0.2)O en la línea de haz de condiciones extremas P02.2 de PETRA III. Aprovechando la sencilla estructura del material, el equipo utilizó altas presiones de hasta 40 Gigapascales (40 000 veces la presión atmosférica) como una poderosa herramienta para revelar y controlar con éxito las distorsiones de la estructura cristalina a escala atómica, lo que es importante para la conductividad de iones de litio y las propiedades dieléctricas del material, por ejemplo. En general, la sintonización a alta presión se considera una técnica importante para preparar el futuro dopaje químico que puede mejorar significativamente las propiedades de los materiales.

El estudio multidisciplinario involucró la difracción de rayos X, la espectroscopia Raman, la microscopia electrónica de transmisión y otras técnicas. "Pudimos ser testigos de cómo la simple estructura inicial de este compuesto, que se asemeja a la sal de mesa en condiciones ambientales, se vuelve anisotrópica y se distorsiona por encima de los 9 o 10 Gigapascales", informa Konstantin Glazyrin de DESY. "Por encima de 10 Gigapascales, la importancia de las distorsiones locales a nanoescala aumenta, y una mayor compresión resulta en una peculiar transformación de fase. Las pruebas observadas, en efecto, abren un camino para una mejor comprensión de los materiales de las HEO, pero al mismo tiempo también promueven la alta presión como una herramienta eficiente para su exploración e ingeniería".

Además, los resultados de estas muestras nanocristalinas fueron sustancialmente diferentes de los de las muestras de HEO a granel. Esto sugiere que las propiedades de estos materiales cambian dramáticamente con el tamaño. Como el equipo escribe, la afinación estructural inducida por la presión podría ser una característica general en las HEOs y vale la pena una exploración más extensa, ya que podría no sólo promover una comprensión fundamental de estos nuevos materiales, sino también guiar las aplicaciones.

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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