Estructuras cristalinas flexibles para un futuro energético sólido
El aprendizaje automático permite comprender mejor toda una clase de materiales destinados a las baterías de estado sólido
Un equipo de investigadores de la Universidad de Duke y sus colaboradores han descubierto los mecanismos atómicos que hacen de una clase de compuestos llamados argiroditos candidatos atractivos tanto para electrolitos de baterías de estado sólido como para convertidores termoeléctricos de energía.
Ilustración de la estructura atómica híbrida cristalina-líquida en la fase superiónica de Ag8SnSe6, un material muy prometedor para las baterías comerciales de estado sólido. Los filamentos en forma de tubo muestran la distribución líquida de los iones de plata que fluyen a través del andamiaje cristalino de átomos de estaño y selenio (azul y naranja).
Olivier Delaire, Duke University
Los descubrimientos -y el método de aprendizaje automático utilizado para hacerlos- podrían ayudar a abrir una nueva era en el almacenamiento de energía para aplicaciones como las baterías de pared domésticas y los vehículos eléctricos de carga rápida.
Los resultados aparecen en la edición electrónica del 18 de mayo de la revista Nature Materials.
"Se trata de un rompecabezas que no se había descifrado antes debido a lo grande y complejo que es cada bloque de construcción del material", afirma Olivier Delaire, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en Duke. "Hemos descubierto los mecanismos a nivel atómico que hacen que esta clase de materiales sea un tema candente en el campo de la innovación de las baterías de estado sólido".
A medida que el mundo avanza hacia un futuro basado en las energías renovables, los investigadores deben desarrollar nuevas tecnologías para almacenar y distribuir energía a los hogares y los vehículos eléctricos. Hasta ahora, la batería de iones de litio con electrolitos líquidos ha sido la abanderada, pero dista mucho de ser la solución ideal por su eficiencia relativamente baja y su propensión a incendiarse y explotar.
Estas limitaciones se deben principalmente a los electrolitos líquidos químicamente reactivos de las baterías de iones de litio, que permiten que los iones de litio se muevan relativamente libres de obstáculos entre los electrodos. Aunque son excelentes para mover cargas eléctricas, el componente líquido las hace sensibles a altas temperaturas que pueden provocar su degradación y, en última instancia, una catástrofe térmica incontrolada.
Muchos laboratorios de investigación públicos y privados dedican mucho tiempo y dinero a desarrollar baterías alternativas de estado sólido a partir de diversos materiales. Si se diseñan correctamente, ofrecen un dispositivo mucho más seguro y estable, con una mayor densidad energética, al menos en teoría.
Aunque nadie ha descubierto aún un método comercialmente viable para las baterías de estado sólido, uno de los principales contendientes se basa en una clase de compuestos llamados argiroditas, que deben su nombre a un mineral que contiene plata. Estos compuestos se construyen a partir de estructuras cristalinas específicas y estables formadas por dos elementos con un tercero libre para moverse por la estructura química. Aunque algunas recetas, como la plata, el germanio y el azufre, se encuentran en la naturaleza, el marco general es lo bastante flexible como para que los investigadores creen una amplia gama de combinaciones.
"Todos los fabricantes de vehículos eléctricos intentan pasar a nuevos diseños de baterías de estado sólido, pero ninguno de ellos revela por qué composiciones apuestan", afirma Delaire. "Ganar esa carrera cambiaría las reglas del juego porque los coches podrían cargarse más rápido, durar más y ser más seguros a la vez".
En el nuevo artículo, Delaire y sus colegas analizan un prometedor candidato hecho de plata, estaño y selenio (Ag8SnSe6). Utilizando una combinación de neutrones y rayos X, los investigadores hicieron rebotar estas partículas de movimiento extremadamente rápido en los átomos de muestras de Ag8SnSe6 para revelar su comportamiento molecular en tiempo real. Mayanak Gupta, miembro del equipo y antiguo postdoctorando en el laboratorio de Delaire, ahora investigador en el Centro de Investigación Atómica Bhabha de la India, también desarrolló un método de aprendizaje automático para dar sentido a los datos y creó un modelo computacional que se ajustaba a las observaciones mediante simulaciones de mecánica cuántica de primeros principios.
Los resultados mostraron que, aunque los átomos de estaño y selenio creaban un andamiaje relativamente estable, distaba mucho de ser estático. La estructura cristalina se flexiona constantemente para crear ventanas y canales para que los iones de plata cargados se muevan libremente por el material. El sistema, según Delaire, es como si las redes de estaño y selenio permanecieran sólidas mientras que la plata se encuentra en un estado casi líquido.
"Es como si los átomos de plata fueran canicas traqueteando por el fondo de un pozo muy poco profundo, moviéndose como si el andamiaje cristalino no fuera sólido", explicó Delaire. "Esa dualidad de un material que vive entre el estado líquido y el sólido es lo que me pareció más sorprendente".
Los resultados y, lo que quizá sea más importante, el enfoque que combina la espectroscopia experimental avanzada con el aprendizaje automático, deberían ayudar a los investigadores a avanzar más rápidamente hacia la sustitución de las baterías de iones de litio en muchas aplicaciones cruciales. Según Delaire, este estudio es sólo uno de un conjunto de proyectos dirigidos a una variedad de prometedores compuestos de argirodita que comprenden distintas recetas. Una combinación que sustituye la plata por litio es de especial interés para el grupo, dado su potencial para las baterías de vehículos eléctricos.
"Muchos de estos materiales ofrecen una conducción muy rápida para las baterías al tiempo que son buenos aislantes térmicos para los convertidores termoeléctricos, por lo que estamos estudiando sistemáticamente toda la familia de compuestos", explica Delaire. "Este estudio sirve para evaluar nuestro enfoque de aprendizaje automático, que ha permitido enormes avances en nuestra capacidad para simular estos materiales en sólo un par de años. Creo que esto nos permitirá simular rápidamente nuevos compuestos de forma virtual para encontrar las mejores recetas que estos compuestos pueden ofrecer."
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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