Nuevas químicas para baterías, semiconductores y más podrían ser más fáciles de fabricar, gracias a un nuevo enfoque para fabricar materiales químicamente complejos que han demostrado investigadores de la Universidad de Michigan y el Laboratorio de Materiales Avanzados de Samsung.

Sus nuevas recetas utilizan ingredientes no convencionales para fabricar materiales para baterías con menos impurezas, lo que requiere menos pasos de refinamiento costosos y aumenta su viabilidad económica.

"Durante las últimas dos décadas, muchos materiales de batería con capacidad, velocidad de carga y estabilidad mejoradas se han diseñado computacionalmente, pero no han llegado al mercado", dijo Wenhao Sun, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de Dow Early Career en la UM y la Universidad de Michigan.autor correspondiente del estudiopublicadoenSíntesis de la naturaleza.

"Muchas veces, un material simple es un buen punto de partida, pero cuando agregas un poco de compuesto A y un poco de compuesto B, ocurre magia y obtienes grandes mejoras en la capacidad o la velocidad de carga. Sin embargo, estos materiales químicamentemateriales complejosA menudo son difíciles de fabricar a escala con alta pureza".

Los materiales de las baterías generalmente se fabrican mezclando varios polvos de óxido diferentes y cociéndolos en un horno.Sin embargo, estos polvos reaccionan en secuencia y no todos al mismo tiempo.Los dos primeros ingredientes en reaccionar suelen ser los que liberan más energía al reaccionar.La primera reacción da como resultado un compuesto intermedio que luego reacciona con el polvo restante, y así sucesivamente, hasta que no sean posibles más reacciones.

si elenlaces químicosLos compuestos intermedios son difíciles de romper y es posible que no reaccionen completamente con los demás ingredientes.Cuando no reaccionan completamente, los intermedios quedan como impurezas no deseadas en el material final.

"Diseñamos una estrategia para fabricar materiales libres de impurezas de manera más confiable", dijo Jiadong Chen, primer autor del estudio y estudiante de doctorado de la UM enciencias de los materialese ingeniería e informática científica."El truco consiste en trabajar sólo con dos ingredientes a la vez y crear deliberadamente intermediarios inestables que reaccionen completamente con los ingredientes restantes".

Para probar esta estrategia, el equipo de Sun diseñó 224 recetas diferentes para crear 35 materiales conocidos diferentes que contienen elementos utilizados en las baterías actuales y en las baterías "más allá del litio" de próxima generación.

Luego, los investigadores se asociaron con el Laboratorio de Materiales Avanzados de Samsung Semiconductor en Cambridge, Massachusetts, para probar si sus recetas producían estos 35 materiales con menos impurezas que las recetas convencionales.El laboratorio robótico automatizado de Samsung puede sintetizar hasta 24 diferentesmateriales de la bateríacada 72 horas.

Los brazos robóticos manejan los ingredientes y operan el equipo de laboratorio que evalúa la pureza de los materiales resultantes.Mientras tanto, las computadoras registran automáticamente los resultados de cada experimento, creando una base de datos que los investigadores pueden usar para determinar qué recetas funcionaron mejor.

"Con el laboratorio automático, podríamos probar ampliamente nuestra hipótesis en diversas químicas de baterías", dijo Chen.

Los experimentos confirmaron que las nuevas recetas con ingredientes diseñados para ser inestables tendían a producir productos más limpios.Las nuevas recetas mejoraron la pureza de los materiales hasta en un 80%, y seis de los materiales objetivo solo pudieron elaborarse con nuevas recetas.

Los planos para el laboratorio robótico se detallaron en el informe del equipo, que Sun espera que permita que más laboratorios de química adopten laboratorios robóticos tanto para la ciencia como para la fabricación de materiales.

"Necesitamos más datos, no sólo de recetas exitosas sino también de las que no tuvieron éxito, para mejorar las estrategias de fabricación de materiales. Más laboratorios robóticos ayudarán a generar los datos necesarios", dijo Sun.

Estos laboratorios están al alcance de la mayoría de las instituciones de investigación y podrían acelerar significativamente el desarrollo de materiales, afirman los investigadores.

"El coste inicial del equipo robótico es de unos 120.000 dólares, no tan alto como podría pensarse. Pero los beneficios en rendimiento, confiabilidad y gestión de datos son invaluables", dijo el coautor del estudio Yan Eric Wang, ingeniero principal y director del proyecto.gerente del Laboratorio de Materiales Avanzados de Samsung.