Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), en colaboración con investigadores de Purdue University y Rutgers University, han fusionado la ciencia de los materiales y la física de la materia condensada en un estudio de un material sólido prometedor que conduce iones de litio.

El transporte de iones, o átomos cargados, a través de los materiales juega un papel crucial en muchos sistemas eléctricos, desde las baterías hasta el cerebro. En la actualidad, los principales materiales conductores de iones son líquidos y orgánicos, pero el desarrollo de conductores de iones sólidos e inorgánicos podría tener amplias aplicaciones en la conversión de energía, bioingeniería y procesamiento de información.

En este estudio, niquelato de samario, un material que también es sólido, Se demostró que transporta rápidamente iones de litio en determinadas condiciones. El estudio fue publicado en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

El estudio informó que para el niquelato de samario, los fenómenos cuánticos en juego dentro de su estructura molecular afectan las propiedades del material a mayor escala, y sus características estructurales inusuales pueden producir propiedades electrónicas favorables.

En un estudio anterior, los científicos descubrieron que los iones pequeños, como protones, podría moverse a través del material de niquelato de samario muy rápidamente. "Luego preguntamos qué pasaría si insertáramos iones un poco más grandes, como el litio, en el material, "dijo Shriram Ramanathan, coautor del estudio y profesor de ingeniería de materiales en la Universidad de Purdue.

Los iones de litio juegan un papel importante en el mundo de las baterías:muchas baterías que se utilizan hoy en día dependen del transporte de iones de litio a través de un material electrolítico para facilitar el flujo de corriente eléctrica.

"Debido a que el niquelato de samario puede transportar fácilmente iones de litio a través de su red a temperatura ambiente, tiene el potencial de ser utilizado como electrolito de estado sólido en una batería, "dijo Hua Zhou, un físico de Argonne. "Esto cae en la misma categoría que los mejores conductores sólidos de iones de litio que hemos visto".

El niquelato de samario no solo transporta rápidamente el litio, también muestra un nivel de resistencia eléctrica que es deseable en materiales electrolíticos. Por sí mismo, el niquelato de samario se comporta como un metal, permitiendo que los electrones pasen libremente a través de su red cristalina. Sin embargo, cuando los científicos insertan iones de litio en el material, la capacidad de paso de los electrones libres se reduce en ocho órdenes de magnitud. Esta resistencia permite que el material evite problemas que a menudo afectan a otros electrolitos líquidos que se emplean comúnmente. tales como pérdida de energía innecesaria y cortocircuitos.

"Hemos identificado un material que tiene mejores propiedades aislantes que los electrolitos líquidos, como los carbonatos de alquilo, que se utilizan comúnmente en baterías actuales, y conductividad iónica rara para un sólido, "dijo Subramanian Sankaranarayanan, científico del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne.

"Es un resultado bastante contrario a la intuición que agregar electrones al sistema hace que el niquelato sea más aislante, ", dijo la investigadora de la Universidad de Rutgers, Michele Kotiuga.

Kotiuga realizó los primeros cálculos para determinar cómo cambia la estructura electrónica del material cuando se introduce al litio.

Con estos cálculos en la mano, Luego, el equipo utilizó las capacidades ofrecidas a través del conjunto único de instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE de Argonne:la fuente avanzada de fotones (APS), el Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) y el Center for Nanoscale Materials (CNM), para obtener una descripción más detallada de los mecanismos que causan el comportamiento. El equipo también hizo uso del National Synchrotron Light Source-II, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional de Brookhaven.

El APS sondeó el niquelato de samario utilizando rayos X de alta intensidad a medida que los científicos agregaban gradualmente el litio. En tiempo real, los científicos vieron cómo la estructura electrónica y los enlaces químicos evolucionaron hasta la escala de longitud atómica.

Los científicos también utilizaron ALCF y Carbon, un clúster de computación de alto rendimiento en CNM, para simular el movimiento iónico en la red.

"Las supercomputadoras se están convirtiendo en una parte cada vez más integral del diseño y descubrimiento de materiales, ", dijo la directora de ciencia de ALCF, Katherine Riley." Con nuestros sistemas de clase de liderazgo, los investigadores pueden explorar materiales con un nivel de detalle sin precedentes, proporcionando conocimientos que, en última instancia, se pueden utilizar para adaptar materiales novedosos para aplicaciones específicas ".

Usando la supercomputadora Mira de ALCF, el equipo modeló la dinámica del sistema para predecir qué caminos podrían tomar los iones de litio a través del niquelato.

"Calcular las vías fue un complemento importante para el resto de la investigación porque ayuda a explicar el comportamiento que observamos, ", dijo Sankaranarayanan." Podemos utilizar este conocimiento para recrear y controlar estos efectos en otros materiales ".

Los científicos planean estudiar otros materiales que pueden mostrar propiedades similares para identificar otros iones que puede conducir el niquelato de samario.