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Científicos de la Universidad de Ciencias de Tokio han descubierto un conductor de iones de litio estable y altamente conductivo en forma de un oxifluoruro tipo pirocloro. Es una innovación que aborda la necesidad de electrolitos sólidos no sulfúricos.
Las baterías de iones de litio totalmente sólidas ofrecen una mayor seguridad y densidad de energía en comparación con sus contrapartes de electrolito líquido, pero enfrentan desafíos como una menor conductividad e insuficiente contacto con el electrodo. Los electrolitos sólidos no sulfúricos ofrecen una conductividad y estabilidad superiores, allanando el camino para baterías de iones de litio totalmente sólidas avanzadas con un rendimiento y seguridad mejorados.
El artículo de estudio se ha publicado en Chemistry of Materials. Un equipo de investigación liderado 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 Li-ion estable y altamente conductivo en forma de un oxifluoruro tipo pirocloro.
Las baterías de iones de litio (Li-ion) totalmente sólidas 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 ganen participación en el mercado de las baterías de iones de litio con electrolitos líquidos convencionales, como en vehículos eléctricos.
Sin embargo, a pesar de estas ventajas, los electrolitos sólidos tienen una menor conductividad de Li-ion y presentan desafíos para lograr un adecuado contacto electrodo-electrolito sólido. Mientras que los electrolitos sólidos a base de sulfuro son conductores, reaccionan con la humedad para formar disulfuro de hidrógeno tóxico. Por lo tanto, hay una necesidad de electrolitos sólidos no sulfúricos que sean a la vez conductivos y estables en el aire para crear baterías de Li-ion sólidas seguras, de alto rendimiento y carga rápida.
Según el Prof. Fujimoto, “La creación de baterías secundarias de iones de litio totalmente sólidas ha sido un sueño largamente acariciado por muchos investigadores de baterías. Hemos descubierto un electrolito sólido de óxido que es un componente clave de las baterías de iones de litio totalmente sólidas, que cuentan con una alta densidad de energía y seguridad. Además de ser estable en el aire, el material presenta una conductividad iónica más alta que los electrolitos sólidos de óxido reportados anteriormente.”
El oxifluoruro tipo pirocloro estudiado en este trabajo puede ser representado como Li2-xLa(1+x)/3M2O6F (M = Nb, Ta). Se sometió a un análisis estructural y composicional utilizando varias técnicas, incluyendo difracción de rayos X, análisis de Rietveld, espectrometría de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente y difracción de electrones de área seleccionada. Específicamente, se desarrolló Li1.25La0.58Nb2O6F, demostrando una conductividad iónica a granel de 7.0 mS cm?¹ y una conductividad iónica total de 3.9 mS cm?¹ a temperatura ambiente.
Se encontró que es 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 del material a baja temperatura es una de las más altas entre los electrolitos sólidos conocidos, incluyendo materiales a base de sulfuro. Incluso a -10° C, el nuevo material tiene la misma conductividad que los electrolitos sólidos basados en óxido convencionales a temperatura ambiente. Además, se ha verificado la conductividad por encima de los 100° C, por lo que el rango de operación de este electrolito sólido es de -10 °C a 100° C. Las baterías de iones de litio convencionales no pueden usarse a temperaturas bajo cero. Por lo tanto, las condiciones de operación de las baterías de iones de litio para teléfonos móviles comúnmente utilizados son de 0° C a 45° C.
Se investigó el mecanismo de conducción de Li-ion en este material. La ruta de conducción de la estructura tipo pirocloro cubre los iones F ubicados en los túneles creados por los octaedros MO6. El mecanismo de conducción es el movimiento secuencial de iones Li mientras cambian los enlaces con los iones F. Los iones Li se mueven a la posición de Li más cercana siempre pasando por posiciones metastables. La La3+ inmóvil unida al ion F inhibe la conducción de Li-ion al bloquear la ruta de conducción y desaparecer las posiciones metastables circundantes.
A diferencia de las baterías secundarias de iones de litio existentes, las baterías totalmente sólidas basadas en óxido no tienen riesgo de fuga de electrolito debido a daños y no presentan riesgo de generación de gases tóxicos como las baterías a base de sulfuro. Por lo tanto, esta nueva innovación se anticipa que liderará futuras investigaciones. “El material recientemente descubierto es seguro y presenta una mayor conductividad iónica que los electrolitos sólidos de óxido reportados anteriormente. La aplicación de este material es prometedora para el desarrollo de baterías revolucionarias que pueden operar en un amplio rango de temperaturas, desde bajas hasta altas,” visiona el Prof. Fujimoto. “Creemos que el rendimiento necesario para la aplicación de electrolitos sólidos en vehículos eléctricos queda satisfecho.”
Cabe destacar que el nuevo material es altamente 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, como vehículos eléctricos, porque se puede utilizar a altas temperaturas y admite recargas rápidas. Además, es también un material prometedor para la miniaturización de baterías, electrodomésticos y dispositivos médicos.
En resumen, los investigadores no solo han descubierto un conductor de Li-ion con alta conductividad y estabilidad en aire, sino que también han introducido un nuevo tipo de superconductor iónico con un oxifluoruro tipo pirocloro. ¡Explorar la estructura local alrededor del litio, sus cambios dinámicos durante la conducción y su potencial como electrolitos sólidos para baterías totalmente sólidas son áreas importantes para futuras investigaciones!
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Esta noticia ha generado bastante entusiasmo en la alta tecnología de baterías. Pero la ausencia de algún tipo de costo económico ha dejado a muchos en la apertura de líneas. Cómo se compara esta tecnología con la mejor arte actual de fabricación no se discute en términos de costos de producción.
Pero puedes estar seguro de que hay personas investigando al respecto. Esta tecnología proporciona una batería de iones de litio no inflamable que funciona aproximadamente entre 13º F y 212º F. El ángulo no combustible tiene más importancia de la que la mayoría de la gente asumirá.
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Sin embargo, una batería tiene bastante energía en un espacio confinado. Aún no se han revelado cuáles podrían ser los riesgos. ¡Pero Wow!
Esto se ve bien.
Por Brian Westenhaus vía New Energy and Fuel
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