Un equipo interdisciplinario descubrió una nueva estructura de un material que algún día podría reemplazar los materiales utilizados en las baterías recargables de electrónica de consumo. Crédito:Penn State
Una estructura recientemente descubierta de un material a base de sodio permite que los materiales se utilicen como electrolito en baterías de estado sólido, según investigadores del Laboratorio Nacional de Penn State y Pacific Northwest (PNNL). El equipo está afinando el material utilizando un enfoque de diseño iterativo que esperan reducirá años de tiempo desde la investigación hasta el uso diario.
El electrolito una de las tres partes principales de una batería, es responsable de transferir iones cargados en una batería de estado sólido. Esto crea una corriente eléctrica una vez que las otras dos partes de la batería, el ánodo y el cátodo, están conectados en un circuito.
La mayoría de las baterías recargables en teléfonos inteligentes, las computadoras y otros productos electrónicos de consumo usan un líquido, electrolito a base de litio.
"Los electrolitos líquidos tienen problemas de seguridad porque son inflamables, "dijo Donghai Wang, profesor asociado de ingeniería mecánica, Penn State. "Esa ha sido la fuerza que nos impulsó a encontrar un buen material para usar en baterías de estado sólido".
El nuevo material del equipo está compuesto por sodio, fosforoso, estaño y azufre y tiene una forma de cristal tetragonal. Tiene defectos, o espacios donde cierto sodio, los átomos de estaño y azufre serían, y estos le permiten transferir iones.
Debido a que el sodio es mucho más abundante que el litio, una batería de iones de sodio sería potencialmente mucho más barata de producir que una batería de iones de litio. El material también sería más seguro de usar.
"Nuestro material tiene una amplia ventana de voltaje, así como una alta estabilidad térmica, "dijo Zhaoxin Yu, investigador postdoctoral en ingeniería mecánica y nuclear, Penn State. "Cuando calienta electrolitos líquidos hasta 150 grados Celsius (302 grados Fahrenheit), se incendiarán o liberarán mucho calor que podría dañar otras baterías o componentes electrónicos. Nuestro material funciona bien hasta 400 grados Celsius (752 grados Fahrenheit) ".
El equipo informó en Nano energía que su material tiene una conductividad iónica a temperatura ambiente de aproximadamente una décima parte de la de los electrolitos líquidos que se utilizan en las baterías actuales. El descubrimiento importante, ellos dijeron, es la configuración específica de defectos dentro de la estructura cristalina.
Zhaoxin Yu, investigador postdoctoral en ingeniería mecánica y nuclear, reúne los componentes de una batería. Crédito:Penn State
"Nuestro descubrimiento de esta nueva estructura de este material también nos muestra que existe un camino para crear una nueva familia de conductores superiónicos de iones de sodio avanzados, "dijo Shun-Li Shang, profesor de investigación en ciencia e ingeniería de materiales, Penn State.
El equipo creó y probó esta nueva batería en el laboratorio de Wang, que forma parte del Centro de tecnología de almacenamiento de energía y baterías de Penn State. Usando su proceso de diseño colaborativo, el equipo ha podido identificar cómo diferentes formaciones de cristales, así como inconsistencias en el material, han afectado su rendimiento.
"Si no tiene este conjunto de herramientas, sería difícil hacer un gran avance, "dijo Zi-Kui Liu, profesor distinguido de ciencia e ingeniería de materiales, Penn State. "Nuestro enfoque que utiliza tanto la computación como los experimentos nos permite analizar la razón por la cual los materiales se comportan de manera diferente. Eso hará que las cosas sean más rápidas para la próxima ronda de diseño porque sabemos lo que necesitamos controlar para mejorar el transporte de iones".
Una parte del modelado del equipo se llevó a cabo en supercomputadoras alojadas por el Instituto de Ciberciencia de Penn State.
