08.10.2020 - Universität Paderborn

Un nuevo estudio revela los primeros conocimientos fundamentales sobre los mecanismos de transporte de iones

Los resultados pueden contribuir al desarrollo futuro de tipos de baterías más eficientes

Los conductores iónicos transportan la corriente eléctrica. Una aplicación simple de este proceso es la batería común que utiliza un puente de sal para conectar dos soluciones de electrolitos. Los conductores también se utilizan en otras formas de almacenamiento de energía electroquímica, por ejemplo cuando los iones pasan de un electrodo a otro a través de un electrolito, normalmente en forma de líquido, como es el caso de las pilas de combustible. "Entendemos el mecanismo básico de transporte de iones, pero hasta ahora no ha quedado claro lo que ocurre a nivel microscópico", explica el Profesor Junior Hans-Georg Steinrueck de la Universidad de Paderborn. Trabajando con científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores de Stanford SLAC y del Laboratorio Nacional de Argonne, ambos con sede en los EE.UU., Steinrueck ha estado investigando cómo se puede medir el movimiento y la velocidad de los iones individuales. El estudio de investigación se ha publicado ahora en la revista "Energy and Environmental Science". Los resultados pueden contribuir al futuro desarrollo de tipos de baterías más eficientes, ayudando a avanzar en los conceptos de suministros de energía neutra en carbono.

Una comprensión espacial y temporal del transporte de iones

"Es importante comprender mejor el transporte de iones para desarrollar nuevos conductores y mejorar así el rendimiento de los aparatos individuales o incluso de las tecnologías completas. Incluso los mecanismos de los filtros de membrana y los procesos bioquímicos del cuerpo humano pueden ser mejor comprendidos. Hasta ahora las predicciones sólo podían basarse en modelos que aplicaban un continuo. Éstos proporcionan una réplica esquemática de los eventos a un nivel macro. No hay análisis que consideren la relación entre la dispersión temporal y espacial de los iones a nivel microscópico. Sin embargo, esto es esencial para simular el comportamiento de los iones en sistemas o aparatos tecnológicos", explica Steinrueck.

Nuevos materiales de almacenamiento de energía

El químico de Paderborn y su equipo esperan allanar el camino para el almacenamiento de energía respetuosa con el medio ambiente: "El conocimiento de los mecanismos de transporte es de vital importancia porque esta información nos permite desarrollar nuevos materiales de electrolitos y electrodos. La potencia y la seguridad de una célula electroquímica, como la batería de iones o la pila de combustible, pueden predecirse con mucha más precisión", continúa Steinrueck.

Resolución espacial de la velocidad de los iones

El equipo internacional de investigación está empleando un enfoque pionero que utiliza la "espectroscopia operando", una metodología analítica que relaciona simultáneamente la caracterización espectroscópica de los materiales con sus mediciones de la actividad electroquímica. Esto combina los rayos X de sincrotrón y las observaciones macroscópicas de los fenómenos de transporte. Steinrueck resume: "No sólo hemos acoplado múltiples técnicas de medición, sino que también hemos incorporado simulaciones en los análisis. Creemos que nuestro método puede aplicarse a varios materiales conductores de iones. Hasta donde sabemos, hemos producido las primeras resoluciones espaciales del movimiento de iones en un sistema electroquímico". Steinrueck confía en que este método pueda aplicarse en el futuro desarrollo de nuevas baterías de iones y pilas de combustible y que contribuya así a alcanzar el objetivo de la neutralidad del carbono. La investigación también puede conducir potencialmente a una comprensión más profunda de los procesos bioquímicos.

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