Las vacantes de oxígeno convierten a un mal conductor de iones en un buen material para baterías
Se ha demostrado un aumento del transporte iónico mediante la combinación de la conductividad y la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN)
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El titanato de litio (LTO, Li₄Ti₅O₁₂) es un material para baterías ampliamente utilizado que, en su estado original, es un mal conductor de iones de litio. Solo desarrolla una alta conductividad iónica durante la carga, cuando se incorporan al material iones de litio y electrones adicionales. Bernhard Gadermaier y Martin Wilkening, del Instituto de Química y Tecnología de Materiales de la Universidad Técnica de Graz, han adoptado ahora un enfoque totalmente diferente: han transformado el LTO puro, sin litio, en su composición original, Li₄Ti₅O₁₂, en un conductor iónico significativamente mejor mediante la introducción deliberada de defectos en la red cristalina. Concretamente, han eliminado átomos de oxígeno individuales, creando así vacantes de oxígeno que activan una vía de migración para los iones de litio que antes estaba bloqueada. «Esta vía de difusión ya está preformada en la estructura del LTO, pero solo se activa mediante la estructura defectuosa», explica Wilkening. Los resultados del estudio experimental se han publicado en la revista Science Advances.
El oxígeno (rojo), el litio (azul) y el titanio (gris) conforman, en conjunto, la estructura cristalina del titanato de litio, un material utilizado en las baterías.
ICTM - TU Graz
Calentamiento en una atmósfera pobre en oxígeno
Para crear los defectos en el LTO, Gadermaier y Wilkening calentaron el titanato de litio a 300 grados Celsius en una atmósfera pobre en oxígeno. «Este proceso de calentamiento suave elimina átomos de oxígeno individuales de la red cristalina», explica Martin Wilkening. «Las vacantes de oxígeno resultantes influyen directamente en la movilidad de los cationes de litio y transforman lo que originalmente era un mal conductor iónico en uno significativamente mejor. El ejemplo del LTO ilustra claramente la enorme influencia que las estructuras de defectos a escala atómica pueden tener sobre las propiedades macroscópicas de un material».
Amplia verificación experimental
Los investigadores demostraron experimentalmente la mejora en el transporte iónico combinando la espectroscopia de conductividad con la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN). Las mediciones de RMN, en particular, proporcionaron pruebas experimentales directas de la nueva vía de difusión a escala atómica activada.
«Nuestro estudio experimental demuestra que las propiedades de un sólido no vienen determinadas únicamente por su composición química, sino también, en gran medida, por su estructura local de defectos y su historial térmico», afirma Martin Wilkening. «Mostramos cómo se puede controlar con precisión la movilidad de pequeños cationes de litio utilizando los conceptos clásicos de la química de los defectos aniónicos».
La investigación básica como motor de nuevas funciones de los materiales
«Este trabajo es también un ejemplo paradigmático de cómo la investigación fundamental impulsada por la curiosidad científica, sin tener en mente una aplicación inmediata, puede dar lugar a funciones de los materiales totalmente nuevas», afirma Wilkening. «El control selectivo de la conductividad iónica a través de la química de los defectos abre nuevas perspectivas de futuro para los dispositivos iontrónicos, memristivos y neuromórficos en la micro y nanoelectrónica».
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