Un nuevo enfoque para analizar y diseñar nuevos conductores de iones, un componente clave de las baterías recargables, podría acelerar el desarrollo de baterías de litio de alta energía. y posiblemente otros dispositivos de almacenamiento y suministro de energía, como pilas de combustible, dicen los investigadores.

El nuevo enfoque se basa en comprender la forma en que las vibraciones se mueven a través de la red cristalina de los conductores de iones de litio y correlacionar eso con la forma en que inhiben la migración de iones. Esto proporciona una forma de descubrir nuevos materiales con movilidad iónica mejorada, permitiendo una carga y descarga rápidas. Al mismo tiempo, el método se puede utilizar para reducir la reactividad del material con los electrodos de la batería, lo que puede acortar su vida útil. Estas dos características, mejor movilidad iónica y baja reactividad, han tendido a excluirse mutuamente.

El nuevo concepto fue desarrollado por un equipo dirigido por W.M. Profesor Keck de Energía Yang Shao-Horn, estudiante de posgrado Sokseiha Muy, recién graduado John Bachman Ph.D. '17, y la científica investigadora Livia Giordano, junto con otros nueve en el MIT, Laboratorio Nacional Oak Ridge, e instituciones en Tokio y Munich. Sus hallazgos fueron publicados en la revista. Ciencias de la energía y el medio ambiente .

El nuevo principio de diseño se ha elaborado durante unos cinco años, Dice Shao-Horn. El pensamiento inicial comenzó con el enfoque que ella y su grupo han utilizado para comprender y controlar los catalizadores de la división del agua. y aplicarlo a la conducción de iones, el proceso que se encuentra en el corazón no solo de las baterías recargables, pero también otras tecnologías clave como las pilas de combustible y los sistemas de desalinización. Mientras que los electrones, con su carga negativa, fluir de un polo de la batería al otro (proporcionando así energía para los dispositivos), los iones positivos fluyen en sentido contrario, a través de un electrolito, o conductor de iones, intercalado entre esos polos, para completar el flujo.

Típicamente, ese electrolito es un líquido. Una sal de litio disuelta en un líquido orgánico es un electrolito común en las baterías de iones de litio actuales. Pero esa sustancia es inflamable y, en ocasiones, ha provocado que estas baterías se incendien. Se ha iniciado la búsqueda de un material sólido para reemplazarlo, lo que eliminaría ese problema.

Existe una variedad de conductores de iones sólidos prometedores, pero ninguno es estable cuando está en contacto con los electrodos positivo y negativo de las baterías de iones de litio, Dice Shao-Horn. Por lo tanto, La búsqueda de nuevos conductores de iones sólidos que tengan una alta conductividad y estabilidad de iones es fundamental. Pero clasificar las diferentes familias y composiciones estructurales para encontrar las más prometedoras es un problema clásico de la aguja en un pajar. Ahí es donde entra en juego el nuevo principio de diseño.

La idea es encontrar materiales que tengan una conductividad iónica comparable a la de los líquidos, pero con la estabilidad a largo plazo de los sólidos. El equipo preguntó:"¿Cuál es el principio fundamental? ¿Cuáles son los principios de diseño a nivel estructural general que gobiernan las propiedades deseadas?" Dice Shao-Horn. Una combinación de análisis teórico y mediciones experimentales ahora ha arrojado algunas respuestas, dicen los investigadores.

"Nos dimos cuenta de que hay muchos materiales que se pueden descubrir, pero ningún entendimiento o principio común que nos permita racionalizar el proceso de descubrimiento, "dice Muy, el autor principal del artículo. "Se nos ocurrió una idea que podría resumir nuestra comprensión y predecir qué materiales estarían entre los mejores".

La clave fue observar las propiedades de la red de las estructuras cristalinas de estos materiales sólidos. Esto gobierna cómo vibraciones como ondas de calor y sonido, conocidos como fonones, pasar a través de materiales. Esta nueva forma de ver las estructuras resultó permitir predicciones precisas de las propiedades reales de los materiales. "Una vez que conoces [la frecuencia vibratoria de un material dado], puede usarlo para predecir nueva química o para explicar resultados experimentales, "Dice Shao-Horn.

Los investigadores observaron una buena correlación entre las propiedades de la red determinadas mediante el modelo y la conductividad del material conductor de iones de litio. "Hicimos algunos experimentos para respaldar esta idea de manera experimental" y descubrimos que los resultados coincidían bien, ella dice.

Ellos encontraron, en particular, que la frecuencia vibratoria del litio en sí puede ajustarse ajustando su estructura de celosía, utilizando sustitución química o dopantes para cambiar sutilmente la disposición estructural de los átomos.

El nuevo concepto ahora puede proporcionar una herramienta poderosa para desarrollar nuevos Materiales de mejor rendimiento que podrían conducir a mejoras dramáticas en la cantidad de energía que podría almacenarse en una batería de un tamaño o peso determinado. así como una seguridad mejorada, dicen los investigadores. Ya, utilizaron el método para encontrar algunos candidatos prometedores. Y las técnicas también podrían adaptarse para analizar materiales para otros procesos electroquímicos como las pilas de combustible de óxido sólido, sistemas de desalinización a base de membranas, o reacciones generadoras de oxígeno.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.