La luz puede aumentar el rendimiento de las pilas de combustible y las baterías de iones de litio

La luz hace que los iones sean móviles

24.03.2022 - Alemania

Las baterías de iones de litio, las pilas de combustible y muchos otros dispositivos dependen de la alta movilidad de los iones para funcionar correctamente. Pero hay un gran número de obstáculos a dicha movilidad. Un equipo de investigación dirigido por Jennifer L. M. Rupp, de la Universidad Técnica de Múnich (TUM), y Harry L. Tuller, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), ha demostrado por primera vez que la luz puede utilizarse para aumentar la movilidad de los iones y mejorar el rendimiento de estos dispositivos.

Uli Benz / TUM

Prof. Dr. Jennifer Rupp, profesora de química de electrolitos sólidos en su laboratorio de la facultad de química de la Universidad Técnica de Múnich.

Una carga puede ser transportada por un material de diferentes maneras. La más conocida es la conductividad eléctrica de los metales, donde la carga es transportada por los electrones. Sin embargo, en muchos dispositivos, los iones transportan la carga. Un ejemplo son las baterías de iones de litio, en las que los iones de litio se mueven durante la carga y la descarga. Asimismo, las pilas de combustible dependen del transporte de iones de hidrógeno y oxígeno para conducir la electricidad.

Actualmente se está investigando la cerámica como electrolito sólido para transportar iones de oxígeno. Pero: "Lo que descubrimos es que la conductividad iónica -la velocidad a la que pueden moverse los iones y, por tanto, la eficacia del dispositivo resultante- suele verse notablemente degradada por el hecho de que los iones se bloquean en los límites de los granos", afirma el profesor Harry L. Tuller, del Instituto Tecnológico de Massachusetts.

La luz pone los iones en movimiento

En su actual publicación, Tuller y su colega Jennifer L. M. Rupp, catedrática de química de electrolitos en estado sólido de la Universidad Técnica de Múnich, muestran cómo puede utilizarse la luz para reducir las barreras que encuentran los iones en los límites de los granos cerámicos.

Muchos dispositivos basados en la conductividad de los iones, como las pilas de combustible de óxido sólido, tienen que funcionar a temperaturas muy altas para que los iones puedan superar las barreras de los límites de los granos. Sin embargo, las temperaturas de funcionamiento de hasta 700° Celsius presentan sus propios desafíos: Los materiales envejecen más rápido y la infraestructura para mantener estas altas temperaturas es costosa.

"Nuestro sueño era ver si podíamos superar las barreras utilizando algo que no requiriera calor. ¿Podríamos obtener las mismas conductividades con otra herramienta?", dice el autor principal y estudiante de doctorado Thomas Defferriere. Esta herramienta resultó ser la luz, que nunca se había investigado en este contexto.

Mayores niveles de eficiencia en la conversión y el almacenamiento de energía

"Nuestra investigación demuestra que la iluminación de materiales cerámicos para pilas de combustible y, posiblemente, para baterías en el futuro, puede aumentar significativamente la movilidad de los iones", dice Rupp. "En el óxido de cerio dopado con gadolinio, una cerámica utilizada como electrolito de estado sólido en las pilas de combustible, la iluminación aumentó la conductividad en los límites del grano en un factor de 3,5".

Este "efecto optoiónico" recién descubierto podría encontrar una amplia gama de aplicaciones en el futuro. Por ejemplo, podría mejorar el rendimiento de los electrolitos de estado sólido en las baterías de iones de litio del futuro y facilitar así mayores velocidades de carga, o podría allanar el camino para el desarrollo de nuevas tecnologías de almacenamiento y conversión electroquímica que funcionen a temperaturas más bajas y alcancen mayores niveles de eficiencia.

La luz también puede enfocarse con precisión, lo que permite controlar espacialmente el flujo de iones en puntos exactamente definidos o cambiar la conductividad en materiales cerámicos.

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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