Figura 1:Polianiones típicos que se encuentran en sólidos. (a) B 12 H 12 2- , (b) Ministerio de Salud 9 3- , y (c) OsH 8 2- . Crédito:Shigeyuki Takagi
Actualmente existe una fuerte demanda para reemplazar los electrolitos líquidos orgánicos utilizados en las baterías recargables convencionales, con conductores iónicos de estado sólido que permitirán que las baterías sean más seguras y tengan una mayor densidad de energía.
Con ese fin, se ha dedicado mucho esfuerzo a encontrar materiales con conductividades iónicas superiores. Entre los más prometedores, son conductores iónicos de estado sólido que contienen polianiones como B 12 H 12 2- (Figura 1a). Constituyen una clase particular de materiales debido a su comportamiento de transporte único, que tiene los polianiones girando a una temperatura elevada, promoviendo así en gran medida las conductividades catiónicas.
Sin embargo, un gran inconveniente es la alta temperatura (=energía) necesaria para activar la rotación, lo que a la inversa significa conductividades bajas a temperatura ambiente.
Para abordar ese problema, un grupo de investigación de la Universidad de Tohoku, dirigido por el profesor asociado Shigeyuki Takagi y el profesor Shin-ichi Orimo, ha establecido un nuevo principio para la conducción superiónica a temperatura ambiente. Sus hallazgos fueron publicados recientemente en Letras de física aplicada .
El grupo de investigación pudo reducir la temperatura de activación mediante el uso de complejos de hidruros de metales de transición como una nueva clase de polianiones rotativos. donde el hidrógeno es la única especie de ligando, enlaza covalentemente a metales de transición simples. A diferencia de B 12 H 12 2- polianiones (Fig. 1a), la rotación de los complejos de hidruros de metales de transición solo requiere desplazamientos de hidrógeno altamente móvil (Figs. 1b, 1c) y, por lo tanto, se puede esperar que ocurra con baja energía de activación.
Figura 2:Paisaje de energía potencial a lo largo de la ruta de energía mínima para una reorientación típica de 90 ° de OsH 8 2- . Los recuadros muestran la variación de geometrías moleculares, donde el difenoide chato original (SD) gira 90 ° a través de la transformación secuencial en prisma trigonal bicap (BCTP). Crédito:Shigeyuki Takagi
Luego, el grupo estudió la dinámica de los complejos de hidruros de metales de transición en varios hidruros existentes, y los encontró reorientados, como si giraran repitiendo pequeñas deformaciones (Fig. 2), incluso a temperatura ambiente.
Este tipo de movimiento se conoce como "pseudorrotación, "y rara vez se observa en materia sólida. Debido a los pequeños desplazamientos de los átomos de hidrógeno, la energía de activación de la pseudorrotación es relativamente baja, más de 40 veces menor de lo que supuestamente se necesita para la rotación de B 12 H 12 2- .
Figura 3:Conductividad de iones de litio en Li5MoH11 y varios materiales conocidos. Crédito:Shigeyuki Takagi
Como resultado de una conducción de cationes promovida desde una región de baja temperatura por pseudorrotación, la conductividad de iones de litio en Li 5 Oficial médico 11 que contiene MoH 9 3- (Figura 1b), por ejemplo, puede alcanzar 79 mS cm -1 a temperatura ambiente (Fig. 3). Esto es más de tres veces el récord mundial de conductividad de iones de litio a temperatura ambiente informado hasta ahora. Esto sugiere que se puede realizar una batería de iones de litio de estado sólido con un tiempo de carga más corto a temperatura ambiente.
El mecanismo descubierto es bastante general y sería útil para reducir la temperatura requerida para activar la rotación de polianiones. Esto puede contribuir positivamente a encontrar composiciones que sean adecuadas para conductores superiónicos a temperatura ambiente.
