Agregar átomos de carbono a un nuevo tipo de batería sólida de iones de litio podría hacer que se cargue de manera más rápida y segura.

Las baterías de iones de litio de estado sólido pueden proporcionar una seguridad drásticamente mejorada, voltaje y densidad de energía en comparación con las baterías actuales, que utilizan componentes líquidos. Podrían usarse en vehículos eléctricos, así como en electrónica de potencia. Sin embargo, todavía se encuentran en una etapa temprana de desarrollo, con muy pocos comercializados hasta la fecha.

En una nueva investigación realizada por una colaboración internacional dirigida conjuntamente por el científico Brandon Wood del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y Mirjana Dimitrievska del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), el equipo descubrió por qué la sustitución de un átomo de boro por un átomo de carbono en un material de electrolito de batería clave hizo que los iones de litio se movieran aún más rápido, lo cual es atractivo para una batería de estado sólido más robusta. Este es un ejemplo de lo que los científicos denominan "frustración":la dinámica del sistema asegura que el litio nunca esté satisfecho con su posición actual, por lo que siempre está en movimiento. La investigación aparece en la edición del 20 de febrero de Materiales energéticos avanzados .

"Dado que la función clave de los electrolitos es transportar iones, es un buen hallazgo "Dijo Wood.

Uno de los obstáculos clave es la pequeña cantidad de materiales de electrolitos sólidos candidatos que pueden transportar iones de litio de manera eficiente entre los terminales de la batería. En una batería ordinaria, esto se hace fácilmente a través de un líquido, pero los materiales sólidos que pueden hacer esto son extremadamente raros. Algunos de los materiales disponibles tienen problemas de estabilidad. Otros son difíciles de procesar. La mayoría de los candidatos restantes son simplemente demasiado lentos para mover los iones de litio, lo que significa que deben hacerse muy delgados para que sean efectivos.

El nuevo trabajo se centra en un material dentro de una nueva clase de materiales, closoboratos, que se descubrió recientemente que tiene una rápida movilidad de iones de litio. Según Wood, Los closoboratos son electroquímicamente estables y se pueden procesar fácilmente. ofreciendo algunas ventajas significativas sobre la competencia. Aunque todavía quedan algunas barreras para la comercialización:mayor estabilidad térmica, La resistencia mecánica y la ciclabilidad son el enfoque actual; esta nueva clase es un reemplazo potencial atractivo para los electrolitos sólidos actuales.

"Otra ventaja clave de los closoboratos es su capacidad de sintonización inherente, "dijo el investigador postdoctoral de LLNL Patrick Shea, quien desarrolló algunas de las herramientas de análisis utilizadas en el estudio. "Se pueden alear fácilmente, así como estructural y químicamente modificado. En muchos casos, estos cambios pueden alterar drásticamente su comportamiento ".

Los colaboradores de Sandia National Laboratories y NIST trabajaron en la modificación de estos materiales para mejorarlos aún más. Descubrieron que la sustitución de un átomo de boro por un átomo de carbono hace que los átomos de litio se muevan aún más rápido.

Comprender cómo y por qué sucede esto requiere un modelado profundo de los mecanismos de transporte de iones de litio a través de la matriz sólida, así como una caracterización experimental detallada para acompañar y validar los modelos. El equipo utilizó una técnica avanzada de modelado de mecánica cuántica (dinámica molecular ab initio) y la combinó con una técnica experimental de alta fidelidad. dispersión de neutrones cuasielástica.

El material electrolítico es una sal compuesta de cationes de litio cargados positivamente y aniones closoborato cargados negativamente. La investigación mostró que los aniones closoborato se reorientan rápidamente, girando en la matriz sólida mientras se alternan entre direcciones específicas preferidas. La adición de carbono al anión closoborato crea lo que se conoce como dipolo, que repele el litio en la vecindad local del átomo de carbono. Mientras el anión gira, el átomo de carbono se enfrenta a diferentes direcciones, cada vez que obliga al litio a trasladarse a un sitio cercano en la matriz sólida. Porque la sal está llena de aniones giratorios, esto da como resultado un movimiento muy rápido del litio.

"Ahora que comprendemos las consecuencias beneficiosas, podemos empezar a pensar en cómo introducir efectos similares mediante la modificación química del anión mismo, Wood dijo. También podemos empezar a pensar en cómo la estructura y la química están interrelacionadas, lo que puede dar pistas sobre cómo las modificaciones estructurales del material podrían generar mejoras adicionales ".

Joel Varley, un científico de materiales de LLNL y coautor del artículo, agregó:"Es un primer paso hacia el desarrollo de una nueva clase de electrolitos sólidos robustos con una movilidad de iones de litio ultra alta, ofreciendo una alternativa atractiva para los diseños actuales de baterías de estado sólido. El principio de diseño general también puede ser útil para optimizar otros materiales electrolíticos sólidos en los que las rotaciones moleculares desempeñan un papel ".