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Un oxifluoruro desarrollado por investigadores de la Universidad de Nagoya (Japón) alcanza una conductividad de 16,3 mS/cm a temperatura ambiente, comparable e incluso superior a la de muchos electrolitos líquidos convencionales.
Uno de los principales retos de las baterías de estado sólido consiste en sustituir los electrolitos líquidos por materiales sólidos más estables y seguros sin sacrificar la velocidad de transporte de los iones de litio. En esta ocasión, un grupo de investigadores de la Universidad de Nagoya, en Japón, han identificado un material que podría contribuir a resolver este desafío.
Se trata de un oxifluoruro denominado LLNOF, cuya fórmula es Li₂₋ₓLa(₁₊ₓ)/₃Nb₂O₆F. El material ha alcanzado una conductividad de iones de litio de 16,3 milisiemens por centímetro (mS/cm) a 25 °C), la mayor registrada por sus autores para un electrolito sólido basado en óxidos u oxifluoruros. El estudio ha sido publicado en el Journal of the American Chemical Society.
Los electrolitos líquidos convencionales utilizados en las baterías de ion-litio presentan habitualmente conductividades de entre 5 y 10 mS/cm a temperatura ambiente. El nuevo material, por tanto, se sitúa en un rango comparable y puede incluso superar esos valores en determinadas formulaciones.
LLNOF mantiene una estructura cristalina sólida de tipo pirocloro. Su particularidad no reside en una estructura flexible, sino en la existencia de rutas que permiten a los iones de litio desplazarse rápidamente entre posiciones disponibles dentro de la red cristalina.
Los investigadores consiguieron además fabricar por primera vez cristales individuales de LLNOF de tamaño milimétrico, lo que permitió medir el transporte iónico sin la interferencia de las fronteras entre granos presentes en los materiales policristalinos. Las mediciones mostraron una conducción prácticamente equivalente en diferentes direcciones del cristal.
El mecanismo que explica esta elevada conductividad constituye uno de los aspectos más relevantes del trabajo. En muchos electrolitos sólidos basados en óxidos, la red de oxígeno es relativamente rígida y poco polarizable, lo que obliga a los iones de litio a superar barreras energéticas importantes para cambiar de posición.
En LLNOF, los análisis mediante difracción de rayos X revelaron que los átomos de flúor pueden desplazarse ligeramente respecto a sus posiciones habituales, aproximándose a posiciones vecinas donde existen huecos en la estructura.
Cuando un ion de litio se desplaza hacia uno de esos huecos, el entorno del flúor experimenta un pequeño reajuste que facilita el movimiento. Los investigadores describen este fenómeno como una “relajación local del fluoruro acoplada a la migración”.
Se trata de desplazamientos locales de muy pequeña magnitud, pero suficientes para reducir la energía necesaria para que los iones de litio realicen cada salto dentro de la estructura.
Aunque los resultados son prometedores, los 16,3 mS/cm corresponden a la conductividad interna de un monocristal. Esta precisión es importante a la hora de valorar el alcance tecnológico del descubrimiento.
Los electrolitos cerámicos destinados a baterías reales suelen estar formados por numerosos granos y las fronteras entre ellos pueden introducir una resistencia adicional al transporte de litio. De hecho, los trabajos anteriores con LLNOF policristalino habían registrado una conductividad total inferior a la observada en el interior de los granos.
Además, el estudio todavía no demuestra el comportamiento del material en una batería completa, su estabilidad durante cientos o miles de ciclos ni su comportamiento en la interfaz entre el electrolito y los electrodos. Por ello, no se trata todavía de una tecnología de batería lista para su comercialización.
El interés del trabajo está en haber identificado un mecanismo diferente para conseguir una elevada movilidad iónica en un material sólido. En lugar de depender exclusivamente de estructuras más blandas y polarizables, como algunos electrolitos basados en sulfuros, LLNOF aprovecha pequeños reajustes locales de su estructura cristalina para facilitar el movimiento del litio.
Si este mecanismo puede reproducirse y optimizarse en otros materiales, podría abrir una nueva vía para desarrollar electrolitos sólidos de alta conductividad, uno de los elementos clave para avanzar hacia baterías de estado sólido con mayor seguridad y prestaciones.
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