Un material con potencial para fabricar baterías de iones de litio más seguras alcanza un nivel récord de conductividad
Un nuevo mecanismo de conductividad en los oxifluoruros echa por tierra el dogma del sulfuro
Anuncios
Hay una buena razón por la que, cada vez que facturas para un vuelo, te piden que confirmes que no llevas cargadores portátiles ni baterías externas en tu equipaje facturado. Un electrolito líquido altamente inflamable transporta iones de litio (Li) entre los electrodos de las baterías de iones de litio que alimentan estos dispositivos. Por ello, si una batería de iones de litio se daña, su electrolito líquido puede provocar un incendio catastrófico.
Los electrolitos sólidos, que pueden ayudar a reducir este riesgo, son un campo de investigación muy activo. Uno de los retos más importantes en la fabricación de baterías de estado sólido es aumentar su conductividad iónica, es decir, la facilidad con la que los iones de litio con carga positiva pueden moverse a través del electrolito sólido.
Existen algunos electrolitos sólidos que contienen materiales a base de sulfuro y cloruro y que presentan una alta conductividad. Esta conductividad se debe a que las nubes de electrones que rodean a los iones de sulfuro o cloruro con carga negativa pueden deformarse fácilmente al paso de los iones de litio a través del material. Sin embargo, estos electrolitos plantean sus propios problemas de seguridad: la exposición a la humedad puede provocar la liberación al aire de gases tóxicos como el sulfuro de hidrógeno y el cloruro de hidrógeno.
En comparación, los óxidos y los oxifluoruros son mucho más resistentes. Cuando se utilizan como electrolitos sólidos, también son más estables desde el punto de vista electroquímico, lo cual es importante porque los materiales de las baterías experimentan cambios repetidos de tensión durante la carga y la descarga. Pero, por otro lado, suelen presentar una baja conductividad.
«En esta fase, la seguridad y la conductividad iónica son una disyuntiva», afirmó Takeshi Yajima, profesor asociado del Departamento de Ingeniería de Innovación en Diseño de Materiales de la Universidad de Nagoya. «Los oxifluoruros son más seguros, pero tienen baja conductividad, mientras que los sulfuros tienen alta conductividad, pero pueden ser peligrosos».
Un conductor sorprendentemente bueno…
En 2024, se descubrió que un nuevo cristal de oxifluoruro con la fórmula químicaLi₂–xLa(1+x)/3Nb₂O₆F, abreviado como «LLNOF», que presentaba una conductividad inusualmente alta de siete milisiemens por centímetro (mS/cm), comparable a la de los electrolitos líquidos. Pero el motivo por el que mostraba esta conductividad seguía siendo un misterio: la nube de electrones que rodea al ion fluoruro central no se deforma tan fácilmente como en los sulfuros o los cloruros, lo que impedía explicar el comportamiento del LLNOF mediante el mecanismo conocido hasta entonces.
Poco después de este descubrimiento, Yajima y su equipo decidieron sintetizar sus propios monocristales de LLNOF de alta calidad para determinar el mecanismo. Según Yajima, esta fue la parte más difícil, ya que tardaron más de un año en lograrlo. «Teníamos que asegurarnos de que los cristales fueran de una calidad suficientemente alta para el análisis estructural», afirmó.
Pero los esfuerzos de los investigadores dieron sus frutos, ya que lograron cultivar monocristales de LLNOF de un milímetro de tamaño utilizando el método de Bridgman. Mediante la difracción de monocristales, pudieron observar la disposición y la reorganización local de los átomos dentro de cada unidad cristalina.
…revela su secreto
Lo que descubrieron fue una interacción dinámica entre cuatro sitios atómicos que forman un tetraedro alrededor del ion fluoruro del LLNOF. Cada uno de estos sitios puede contener un ion de litio, un átomo de lantano o permanecer vacío. Los investigadores descubrieron que cada vez que un ion de Li salta al siguiente sitio vacante, el ion fluoruro central migra ligeramente hacia el sitio original del litio. Los iones fluoruro, en efecto, «se apartan del camino», reduciendo la barrera energética que impide a los iones de Li desplazarse.
Por eso, en comparación con otros oxifluoruros en los que los átomos permanecen rígidos, el LLNOF presenta una mayor conductividad de iones de litio.
A continuación, los investigadores ajustaron la composición de este cristal modificando las cantidades relativas de litio, lantano y sitios vacíos en el LLNOF (la «x» de su fórmula química). Descubrieron que la conductividad mejoraba al reducir x, alcanzando un valor máximo de 16,3 mS/cm. Este resultado, que representa la mayor conductividad de iones de litio en masa registrada entre los electrolitos sólidos relacionados con los óxidos, se ha publicado en la revista *Journal of the American Chemical Society*.
Yajima cree que este mecanismo, que no depende de iones altamente polarizables, puede utilizarse para desarrollar electrolitos sólidos basados en óxidos aún más eficientes. «La idea generalizada ha sido que los materiales a base de sulfuro son mejores conductores debido a su carácter aniónico, pero este mecanismo pone en tela de juicio esa idea», añade. Esta investigación supone un paso importante hacia la creación de baterías de iones de litio de estado sólido viables.
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
Más noticias del departamento ciencias
