Descubren nuevos materiales para baterías de iones de litio de estado sólido seguras y de alto rendimiento
Los científicos han descubierto un conductor de iones de litio estable y altamente conductor para su uso como electrolitos sólidos en baterías de iones de litio de estado sólido
Las baterías de iones de litio (Li-ion) de estado sólido con electrolitos sólidos no son inflamables y tienen mayor densidad energética y números de transferencia que las de electrolitos líquidos. Se espera que ocupen una parte del mercado de las baterías de iones de litio con electrolito líquido convencionales, como las de los vehículos eléctricos. Sin embargo, a pesar de estas ventajas, los electrolitos sólidos tienen una conductividad de iones de litio más baja y plantean retos a la hora de lograr un contacto adecuado entre el electrodo y el electrolito sólido. Aunque los electrolitos sólidos a base de sulfuro son conductores, reaccionan con la humedad formando disulfuro de hidrógeno tóxico. Por lo tanto, se necesitan electrolitos sólidos no sulfurados que sean conductores y estables en el aire para fabricar baterías de iones de litio de estado sólido seguras, de alto rendimiento y de carga rápida.
En un estudio reciente publicado en Chemistry of Materials el 28 de marzo de 2024, un equipo de investigación dirigido por el profesor Kenjiro Fujimoto, el profesor Akihisa Aimi de la Universidad de Ciencias de Tokio y el Dr. Shuhei Yoshida de Denso Corporation, descubrió un conductor de iones de litio estable y altamente conductor en forma de oxifluoruro de tipo pirocloro.
Según el profesor Fujimoto, "la fabricación de baterías secundarias de iones de litio en estado sólido ha sido un sueño largamente acariciado por muchos investigadores de baterías. Hemos descubierto un electrolito sólido de óxido que es un componente clave de las baterías de iones de litio de estado sólido, que tienen una alta densidad energética y seguridad. Además de ser estable en el aire, el material presenta una conductividad iónica superior a la de los electrolitos sólidos de óxido descritos anteriormente".
El oxifluoruro de tipo pirocloro estudiado en este trabajo puede denotarse como Li2-xLa(1+x)/3M2O6F(M = Nb, Ta). Se sometió a análisis estructural y composicional mediante diversas técnicas, entre ellas difracción de rayos X, análisis de Rietveld, espectrometría de emisión óptica por plasma acoplado inductivamente y difracción de electrones de área seleccionada. En concreto, se desarrolló el Li1.25La0.58Nb2O6F, que demostró una conductividad iónica aparente de 7,0 mS cm-¹ y una conductividad iónica total de 3,9 mS cm-¹ a temperatura ambiente. Se comprobó que era superior a la conductividad iónica del litio de los electrolitos sólidos de óxido conocidos. La energía de activación de la conducción iónica de este material es extremadamente baja, y la conductividad iónica de este material a baja temperatura es una de las más altas entre los electrolitos sólidos conocidos, incluidos los materiales a base de sulfuro.
Exactamente, incluso a -10 °C, el nuevo material tiene la misma conductividad que los electrolitos sólidos convencionales basados en óxidos a temperatura ambiente. Además, como también se ha verificado la conductividad por encima de los 100 °C, el rango operativo de este electrolito sólido es de -10 °C a 100 °C. Las baterías de iones de litio convencionales no pueden utilizarse a temperaturas inferiores al punto de congelación. Por ello, las condiciones de funcionamiento de las baterías de iones de litio de los teléfonos móviles de uso común son de 0 °C a 45 °C.
Se investigó el mecanismo de conducción de iones de litio en este material. La vía de conducción de la estructura de tipo pirocloro cubre los iones F situados en los túneles creados por los octaedros MO6. El mecanismo de conducción es el movimiento secuencial de los iones Li mientras cambian de enlace con los iones F. Los iones Li se mueven hacia la posición Li más cercana pasando siempre por posiciones metaestables. El La3+ inmóvil unido al ion F inhibe la conducción de los iones Li bloqueando el camino de conducción y desvaneciendo las posiciones metaestables circundantes.
A diferencia de las baterías secundarias de iones de litio existentes, las baterías de estado totalmente sólido basadas en óxido no presentan riesgo de fuga de electrolito por daños ni riesgo de generación de gases tóxicos como ocurre con las baterías basadas en sulfuro. Por tanto, se prevé que esta nueva innovación lidere futuras investigaciones. "El material recién descubierto es seguro y presenta una conductividad iónica superior a la de los electrolitos sólidos basados en óxidos de los que se ha informado anteriormente. La aplicación de este material es prometedora para el desarrollo de baterías revolucionarias que puedan funcionar en una amplia gama de temperaturas, de bajas a altas", prevé el profesor Fujimoto. "Creemos que se satisfacen las prestaciones requeridas para la aplicación de electrolitos sólidos para vehículos eléctricos".
En particular, el nuevo material es muy estable y no se inflama si se daña. Es adecuado para aviones y otros lugares donde la seguridad es crítica. También es adecuado para aplicaciones de alta capacidad, como los vehículos eléctricos, porque puede utilizarse a altas temperaturas y admite recargas rápidas. Además, también es un material prometedor para la miniaturización de baterías, electrodomésticos y dispositivos médicos.
En resumen, los investigadores no sólo han descubierto un conductor de iones de litio con alta conductividad y estabilidad al aire, sino que también han introducido un nuevo tipo de conductor superiónico con un oxifluoruro de tipo pirocloro. Explorar la estructura local alrededor del litio, sus cambios dinámicos durante la conducción y su potencial como electrolitos sólidos para baterías de estado totalmente sólido son áreas importantes para futuras investigaciones.
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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