Batería de estado sólido: Nueva clase de material con excelente conductividad iónica
Los neutrones hacen visible el movimiento de los iones
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Un equipo de investigadores de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) ha descubierto una clase de material con una conductividad superior a la media. Se trata de un paso decisivo en el desarrollo de baterías de estado sólido de alto rendimiento. Las investigaciones realizadas en la Fuente de Neutrones de Investigación Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) han contribuido de forma esencial al descubrimiento.
El Dr. Anatoliy Senyshyn en el difractómetro de polvo SPODI en FRM II.
Andreas Heddergott, Astrid Eckert / TUM
Las baterías del futuro tendrán que satisfacer grandes expectativas: Tendrán que ser más ligeras y rendir mejor, tener una vida útil más larga, ser más seguras y también menos propensas a errores. Científicos de todo el mundo persiguen estos objetivos utilizando tecnologías de estado sólido: Las baterías de estado sólido no contienen líquido, a diferencia de las baterías recargables tradicionales en las que los iones de litio se mueven a través de un electrolito líquido desde el ánodo al cátodo y viceversa. En cambio, el electrolito de las pilas de estado sólido es una sustancia sólida que no puede derramarse ni quemarse. Además, este electrolito sólido ayuda a reducir el peso de la batería, por lo que en teoría es una alternativa ideal.
"Pero en la práctica, los electrolitos de estado sólido disponibles hasta ahora, en su mayoría cerámicas oxídicas o compuestos basados en azufre, han demostrado ser incapaces de cumplir por completo las expectativas", afirma el profesor Thomas Fässler, de la Cátedra de Química Inorgánica de la TUM, centrada en nuevos materiales. Junto con su equipo y en estrecha colaboración con TUMint-Energy Research GmbH, está buscando electrolitos más eficientes: "El problema es que los iones de litio sólo se difunden lentamente a través de materiales sólidos. Nuestro objetivo era comprender mejor el transporte de iones y luego utilizar este conocimiento para aumentar la conductividad".
Un polvo ligero prometedor
El resultado de sus esfuerzos es un polvo cristalino que es un conductor de iones de litio superior a la media. No contiene azufre, sino fósforo, aluminio y una proporción comparativamente alta de litio. Las mediciones de laboratorio han demostrado que esta clase de sustancia, hasta ahora ignorada, tiene un alto nivel de conductividad. En muy poco tiempo, los químicos crearon con éxito una docena de nuevos compuestos relacionados, que contienen, por ejemplo, silicio o estaño en lugar de aluminio. Esta amplia base de nuevos materiales permite optimizar rápidamente sus propiedades.
¿Y por qué estos materiales son tan buenos conductores de iones? "Para responder a esta pregunta, hay que hacer visibles los procesos que tienen lugar en el interior de los cristales", explica Fässler. "Pero eso no es posible con el equipo normal de laboratorio, porque los átomos de litio son muy ligeros. Por eso no se pueden localizar con exactitud con rayos X".
Mayor detalle con haces de neutrones
La solución: haces de neutrones. "Los neutrones que tenemos del reactor de investigación permiten encontrar incluso los átomos más ligeros. Esto se debe a que los neutrones interactúan con los núcleos de los átomos y no con la corteza atómica, como ocurre con la radiación de rayos X", explica el Dr. Anatoliy Senyshyn, que supervisa el difractómetro de polvo en el FRM II, que se utilizó para analizar el nuevo material electrolítico: "En el pasado ya habíamos investigado una variedad de miembros de la nueva y diversa familia de conductores sólidos de iones de litio. Podemos utilizar la difracción de neutrones para visualizar cómo los iones utilizan el espacio libre de la red cristalina para moverse". En la nueva clase de sustancias, estos espacios libres están dispuestos de tal forma que los iones pueden moverse igual de bien en todas las direcciones. Esto es el resultado del alto grado de simetría que presentan los cristales y probablemente sea la causa de la "conductividad superiónica del litio" que el equipo de la TUM ha podido observar ahora.
Los polvos sintetizados son, por tanto, candidatos electrolíticos muy prometedores para futuras baterías de estado sólido, afirma Fässler: "Nuestra investigación básica tiene el potencial de acelerar el desarrollo de baterías de mayor rendimiento."
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.
Publicación original
Tassilo M. F. Restle, Stefan Strangmüller, Volodymyr Baran, Anatoliy Senyshyn, Holger Kirchhain, Wilhelm Klein, Samuel Merk, David Müller, Tobias Kutsch, Leo van Wüllen, Thomas F. Fässler: Super-Ionic Conductivity in ω-Li9TrP4 (Tr= Al, Ga, In) and Lithium Diffusion Pathways in Li9AlP4 Polymorphs, Advanced Functional Materials, 7. September 2022
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