Más allá del mecanismo de la rueda de paletas
Aclaración del transporte microscópico de iones de litio en electrolitos de estado sólido para baterías de próxima generación
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Un grupo de investigación colaborativo internacional dirigido por el profesor Bong June Sung, del Departamento de Química de la Universidad de Sogang, y el profesor Shinji Saito, del Instituto de Ciencias Moleculares (IMS), los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales (NINS) y la Universidad de Estudios Avanzados SOKENDAI ha dilucidado, a nivel molecular, cómo se mueven los iones de litio dentro de los cristales plásticos iónicos orgánicos (OIPC), que están despertando gran interés como electrolitos sólidos para las baterías de próxima generación.
En los OIPC, aunque el material es sólido, las moléculas y los iones del interior del cristal giran activamente in situ; por consiguiente, el «mecanismo de rueda de paletas» —en el que este movimiento rotatorio empuja a los iones de litio hacia delante— se ha considerado durante mucho tiempo el mecanismo principal de la conducción iónica. En este estudio, los investigadores han reexaminado teóricamente esta hipótesis utilizando simulaciones de dinámica molecular en un superordenador y el análisis de la función de salto, que extrae con precisión los saltos de cada ion individual. Los resultados revelaron que el movimiento de los iones de litio no está impulsado directamente por el movimiento rotatorio circundante, sino que se produce a través de la reorganización cooperativa de una jaula iónica formada por los aniones circundantes. En concreto, se ha demostrado teóricamente que, cuando el número de aniones que rodean a un ion de litio disminuye temporalmente —lo que provoca que la jaula se «abra»—, el movimiento del ion de litio aumenta significativamente.
Muchas baterías de iones de litio, ampliamente utilizadas en teléfonos inteligentes y vehículos eléctricos, emplean electrolitos líquidos. Sin embargo, los electrolitos líquidos son inflamables, y el riesgo de incendio o explosión sigue siendo una preocupación importante. Para abordar este problema, se están llevando a cabo investigaciones para desarrollar electrolitos sólidos de alta seguridad como una solución prometedora.
Entre ellos, los cristales plásticos iónicos orgánicos (OIPC) están llamando la atención como «sólidos blandos», es decir, materiales que, a pesar de ser sólidos, permiten que sus moléculas e iones internos giren activamente in situ. Este movimiento molecular tiene el potencial de facilitar la migración de iones dentro del sólido, y se espera que los OIPC sirvan como materiales que combinen seguridad con una alta conductividad iónica.
En las baterías de iones de litio, la carga y la descarga se producen a medida que los iones de litio se desplazan a través del electrolito en el interior de la batería. Por lo tanto, en el desarrollo de electrolitos sólidos —incluidos los OIPC—, comprender cómo y a qué velocidad pueden moverse los iones de litio dentro del electrolito es crucial para diseñar materiales de batería de alta performance y seguros para la próxima generación.
La conducción iónica en los OIPC se ha explicado principalmente mediante el «mecanismo de rueda de paletas». En este mecanismo, se cree que el movimiento rotatorio de las moléculas grandes y los iones circundantes actúa como las paletas de una rueda hidráulica, empujando a los iones de litio hacia su siguiente posición. Sin embargo, no se comprendía del todo cuándo, dónde y cómo se desplazan realmente los iones de litio individuales.
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