Conceptos innovadores de electrolitos de estado sólido podrían transformar el sector de las baterías

por Tatsuya Nakamura
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solid-state electrolyte

Las innovaciones en la tecnología de baterías han estado marcadas por la creación por parte de científicos de un novedoso electrolito sólido a base de cloruro, que mejora la conductividad iónica, la seguridad y la asequibilidad, revolucionando potencialmente la industria de las baterías y aumentando su atractivo comercial.

Avances en electrolitos de estado sólido de cloruro metálico de litio realizados por investigadores.

Un equipo bajo la dirección del profesor Kang Kisuk del Centro de Investigación de Nanopartículas del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) ha revelado un avance significativo en el ámbito de las baterías de estado sólido. Han identificado un electrolito sólido a base de cloruro con una excelente conductividad iónica, un descubrimiento que se espera que conduzca a la creación de baterías más eficaces.

El imperativo de los electrolitos sólidos

Las baterías comerciales actuales, que dependen de electrolitos líquidos, presentan problemas de inflamabilidad y posibles riesgos de explosión. Por lo tanto, el desarrollo de electrolitos sólidos no inflamables es crucial para el progreso de la tecnología de baterías de estado sólido. En medio de una transición global hacia el transporte sostenible y la inminente regulación de los motores de combustión interna a favor de los vehículos eléctricos, está aumentando la investigación sobre componentes vitales de las baterías secundarias, especialmente las variantes de estado sólido.

La distribución espacial de los iones metálicos (itrio en este caso) dentro de las capas afecta la conductividad iónica. Para el tránsito sin obstáculos de los iones de litio, es necesario que la ocupación de iones metálicos dentro de cada capa no supere 0,444. Además, el camino de los iones de litio dentro de cada capa requiere que la ocupación de iones metálicos sea al menos 0,167. Por tanto, una tasa de ocupación de iones metálicos entre 0,167 y 0,444 en cada capa es clave para lograr una capa altamente conductora. Crédito: Instituto de Ciencias Básicas

Para que las baterías de estado sólido sean viables para un uso regular, es esencial el desarrollo de materiales que posean alta conductividad iónica, estabilidad química y electroquímica sustancial y versatilidad mecánica. Aunque investigaciones anteriores arrojaron electrolitos sólidos a base de sulfuros y óxidos con una conductancia iónica considerable, no cumplían con todos estos criterios críticos.

Progresos en electrolitos sólidos a base de cloruro

Históricamente, se han investigado los electrolitos sólidos a base de cloruro, reconocidos por su excepcional conductividad iónica, flexibilidad mecánica y estabilidad de alto voltaje. Estos atributos llevaron a algunos investigadores a considerarlos pioneros en aplicaciones de baterías de estado sólido. Sin embargo, el entusiasmo inicial disminuyó cuando la dependencia de las baterías de cloruro de costosos metales de tierras raras, como itrio, escandio y lantánidos, para componentes secundarios, se consideró poco práctica.

Ante estos desafíos, el equipo de investigación del IBS examinó la distribución de iones metálicos en electrolitos de cloruro. Plantearon la hipótesis de que la variación en la disposición de los iones metálicos podría influir en la conductancia iónica de los electrolitos de cloruro trigonal.

Su hipótesis se probó con cloruro de litio-itrio, un compuesto predominante de cloruro de litio metálico. La colocación de iones metálicos a lo largo del camino de los iones de litio creó obstáculos electrostáticos que obstruyeron su flujo. Por el contrario, si la ocupación de iones metálicos era mínima, la ruta de los iones de litio se volvía demasiado estrecha, dificultando su movimiento.

Aprovechando estos hallazgos, el equipo empleó estrategias para diseñar electrolitos que sortearan estas obstrucciones, culminando en la elaboración de un electrolito sólido con mayor conductividad iónica. Validaron aún más su enfoque mediante el desarrollo de una batería de estado sólido de cloruro metálico de litio con circonio, una alternativa más asequible a las opciones basadas en metales de tierras raras, lo que marcó la primera vez que se mostró la importancia de la ubicación de los iones metálicos en la conductividad iónica de un material. .

La consecuencia de la colocación de iones metálicos

Esta investigación subraya el impacto crítico, aunque a menudo subestimado, de la distribución de iones metálicos en la conductividad iónica de electrolitos sólidos a base de cloruro. Se prevé que este avance en el Centro IBS iniciará el desarrollo de una gama de electrolitos sólidos a base de cloruro, acelerando así la comercialización de baterías de estado sólido, señalando un futuro de soluciones de almacenamiento de energía más seguras y rentables.

El autor principal, Kang Kisuk, afirma: “El electrolito sólido a base de cloruro que hemos descubierto superará las barreras que presentan los electrolitos sólidos tradicionales a base de sulfuro y óxido, acercándonos a la implementación amplia de baterías de estado sólido. "

Referencia: “Diseño de un conductor superiónico de haluro trigonal mediante la regulación del desorden del orden de los cationes” por Seungju Yu, Joohyeon Noh, Byunghoon Kim, Jun-Hyuk Song, Kyungbae Oh, Jaekyun Yoo, Sunyoung Lee, Sung-O Park, Wonju Kim, Byungwook Kang, Donghyun Kil y Kisuk Kang, 2 de noviembre de 2023, Science.
DOI: 10.1126/ciencia.adg6591

La investigación recibió financiación del Instituto de Ciencias Básicas.

Preguntas frecuentes (FAQ) sobre electrolitos de estado sólido

¿Cuál es la importancia del nuevo electrolito sólido a base de cloruro?

El electrolito sólido a base de cloruro recientemente desarrollado es importante porque promete mejorar la conductividad iónica, mejorar la seguridad y reducir los costos asociados con las baterías de estado sólido, transformando potencialmente la industria de las baterías y su panorama comercial.

¿Cómo mejora el nuevo electrolito sólido la seguridad de la batería?

Al sustituir los electrolitos líquidos inflamables por una alternativa sólida no combustible, el nuevo electrolito reduce el riesgo de incendios y explosiones, mejorando así significativamente la seguridad de las baterías.

¿Qué hace que los electrolitos sólidos a base de cloruro sean superiores a otros tipos?

Los electrolitos sólidos a base de cloruro son conocidos por su alta conductividad iónica, flexibilidad mecánica y estabilidad a altos voltajes, lo que los convierte en fuertes candidatos para aplicaciones de baterías de estado sólido.

¿Por qué son importantes las baterías de estado sólido para los vehículos eléctricos?

Las baterías de estado sólido son importantes para los vehículos eléctricos porque ofrecen una mayor densidad de energía, mayor seguridad y una vida útil más larga en comparación con las baterías convencionales, lo que podría dar lugar a autonomías de conducción más largas y tiempos de carga más rápidos.

¿Cuál fue el papel de la distribución de iones metálicos en esta investigación?

Se descubrió que la distribución de iones metálicos dentro del electrolito sólido afecta críticamente la conductividad iónica. La investigación indicó que un rango óptimo de ocupación de iones metálicos dentro de las capas de electrolitos es esencial para maximizar la conductividad.

¿Puede explicar las tasas de ocupación de iones metálicos mencionadas en el estudio?

El estudio encontró que para mantener una alta conductividad iónica, la tasa de ocupación de iones metálicos dentro de las capas de electrolito debe ser superior a 0,167 pero inferior a 0,444. Las tasas dentro de este rango garantizan un equilibrio entre un ancho de vía suficiente y una obstrucción mínima para los iones de litio.

¿Qué le depara el futuro a este electrolito sólido a base de cloruro?

Se espera que el descubrimiento de este electrolito sólido a base de cloruro conduzca al desarrollo de una variedad de electrolitos a base de cloruro y promueva la comercialización de baterías de estado sólido, mejorando la asequibilidad y la seguridad en el almacenamiento de energía.

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5 comentarios

Alex Smith noviembre 5, 2023 - 2:15 pm

Entonces, estamos hablando de baterías más baratas y seguras debido a este nuevo diseño. Suena bien, pero ¿será realmente asequible para la gente común como nosotros?

Responder
Emma Brown noviembre 5, 2023 - 3:48 pm

Debo decir que estoy impresionado por el progreso de la investigación. La alta conductividad iónica podría cambiar las reglas del juego para los vehículos eléctricos. El artículo menciona algo sobre la distribución de iones... tengo que investigar más sobre eso.

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Raquel Verde noviembre 5, 2023 - 5:50 pm

No estaba seguro de qué eran las tasas de ocupación de iones metálicos, pero parece importante para la eficiencia de la batería. Creo que tiene que ver con qué tan bien la batería puede retener y transferir energía.

Responder
Juan Pérez noviembre 6, 2023 - 12:54 am

Acabo de leer sobre la nueva tecnología de baterías que utiliza cloruro, eso es realmente extraordinario, ¿verdad? La seguridad es muy importante con todos estos dispositivos que llevamos.

Responder
mike ross noviembre 6, 2023 - 2:28 am

mencionaron el circonio como una opción más barata que los metales de tierras raras, es interesante porque escuché que el circonio se usaba principalmente en joyería antes de esto.

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