Los científicos han descubierto un conductor de iones de litio estable y altamente conductor para su uso como electrolitos sólidos para baterías de iones de litio de estado sólido.

Las baterías de iones de litio (Li-ion) de estado sólido con electrolitos sólidos no son inflamables y tienen una mayor densidad de energía y números de transferencia que aquellas con electrolitos líquidos.Se espera que acaparen una parte del mercado de baterías convencionales de iones de litio con electrolito líquido, como las de los vehículos eléctricos.

Sin embargo, a pesar de estas ventajas, los electrolitos sólidos tienen menores niveles de iones de litio.conductividady plantean desafíos para lograr un contacto adecuado entre electrodo y electrolito sólido.Si bien los electrolitos sólidos a base de sulfuro son conductores, reaccionan con la humedad para formar disulfuro de hidrógeno tóxico.Por lo tanto, existe la necesidad de electrolitos sólidos sin sulfuro que sean conductores y estables en el aire para fabricar baterías de iones de litio de estado sólido seguras, de alto rendimiento y de carga rápida.

En un estudio recientepublicadoenQuímica de MaterialesEl 28 de marzo de 2024, un equipo de investigación dirigido por el profesor Kenjiro Fujimoto, el profesor Akihisa Aimi de la Universidad de Ciencias de Tokio y el Dr. Shuhei Yoshida de Denso Corporation, descubrió un conductor de iones de litio estable y altamente conductivo en forma de pirocloro.oxifluoruro.

Según el profesor Fujimoto, "Fabricar baterías secundarias de iones de litio totalmente sólidas ha sido el sueño de muchos investigadores de baterías. Hemos descubierto un electrolito sólido de óxido que es un componente clave de las baterías secundarias de iones de litio totalmente sólidas"."Baterías de iones, que tienen una alta densidad de energía y seguridad. Además de ser estables en el aire, el material exhibe una conductividad iónica más alta que los electrolitos sólidos de óxido reportados anteriormente".

El oxifluoruro de tipo pirocloro estudiado en este trabajo se puede denotar como Li_2xLa_(1+x)/3METRO₂oh₆F (M = Nb,Ta).Se sometió a análisis estructurales y compositivos utilizando diversas técnicas, incluida la difracción de rayos X, el análisis de Rietveld, la espectrometría de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente y la difracción de electrones de área seleccionada.

En concreto, Li_1.25La_0,58Nótese bien₂oh₆Se desarrolló F, que demuestra una conductividad iónica total de 7,0 mS cmâ»Â¹ y una conductividad iónica total de 3,9 mS cmâ»Â¹ a temperatura ambiente.Se descubrió que era mayor que la conductividad de iones de litio de los electrolitos sólidos de óxido conocidos.La energía de activación de la conducción iónica de este material es extremadamente baja y la conductividad iónica de este material a baja temperatura es una de las más altas entre los electrolitos sólidos conocidos, incluidos los materiales a base de sulfuro.

Incluso a -10°C, el nuevo material tiene la misma conductividad que los electrolitos sólidos a base de óxido convencionales atemperatura ambiente.Además, dado que también se ha verificado la conductividad por encima de 100 °C, el rango de funcionamiento de este electrolito sólido es de -10 °C a 100 °C.Las baterías de iones de litio convencionales no se pueden utilizar a temperaturas bajo cero.Por lo tanto, las condiciones de funcionamiento de las baterías de iones de litio para teléfonos móviles de uso común son de 0 °C a 45 °C.

Se investigó el mecanismo de conducción de iones de litio en este material.El camino de conducción de la estructura tipo pirocloro cubre los iones F ubicados en los túneles creados por MO₆octaedro.El mecanismo de conducción es el movimiento secuencial de los iones de Li mientras se cambian los enlaces con los iones de F.Los iones de Li se mueven a la posición de Li más cercana pasando siempre por posiciones metaestables.La inmóvil³⁺unido al ion F inhibe la conducción del ion Li bloqueando la ruta de conducción y desapareciendo las posiciones metaestables circundantes.

A diferencia de las baterías secundarias de iones de litio existentes, las baterías de estado sólido basadas en óxido no tienen riesgo de fuga de electrolitos debido a daños ni riesgo de generación de gases tóxicos como ocurre con las baterías a base de sulfuro.Por lo tanto, se prevé que esta nueva innovación impulse investigaciones futuras.

"El material recién descubierto es seguro y exhibe una conductividad iónica más alta que los electrolitos sólidos a base de óxido previamente informados. La aplicación de este material es prometedora para el desarrollo de baterías revolucionarias que pueden funcionar en una amplia gama de temperaturas, de bajas a altas".dice el profesor Fujimoto."Creemos que se cumple el rendimiento requerido para la aplicación de electrolitos sólidos para vehículos eléctricos".

En particular, el nuevo material es muy estable y no se encenderá si se daña.Es adecuado para aviones y otros lugares donde la seguridad es crítica.También es adecuado para aplicaciones de alta capacidad, comovehículos eléctricos, porque se puede utilizar a altas temperaturas y admite una recarga rápida.Además, también es un material prometedor para la miniaturización de baterías, electrodomésticos y dispositivos médicos.

En resumen, los investigadores no sólo descubrieron un conductor de iones de litio con alta conductividad y estabilidad en el aire, sino que también introdujeron un nuevo tipo de conductor superiónico con un oxifluoruro de tipo pirocloro.Explorando la estructura local alrededor del litio, sus cambios dinámicos durante la conducción y su potencial comoelectrolitos sólidospara baterías totalmente de estado sólido son áreas importantes para futuras investigaciones.