Descubren material que podría facilitar el desarrollo de baterías de estado sólido de alto rendimiento

Un equipo de investigadores de la Universidad Técnica de Múnich ha descubierto una clase de material con una conductividad superior a la media, lo que podría facilitar el desarrollo de baterías de estado sólido de alto rendimiento.

Las baterías de estado sólido no contienen líquido, a diferencia de las baterías recargables tradicionales, en las que los iones de litio se mueven a través de un electrolito líquido del ánodo al cátodo y viceversa. El electrolito de las pilas de estado sólido es una sustancia sólida que no puede derramarse ni quemarse. Además, este electrolito sólido ayuda a reducir el peso de la batería, por lo que en teoría es una alternativa ideal.

"Pero en la práctica, los electrolitos sólidos disponibles hasta ahora, en su mayoría cerámicas oxídicas o compuestos a base de azufre, han demostrado ser incapaces de cumplir completamente las expectativas", afirma Thomas Fässler, cuyo equipo en la TUM se dedica a buscar electrolitos más eficientes.

"El problema es que los iones de litio sólo se difunden lentamente a través de materiales sólidos. Nuestro objetivo era comprender mejor el transporte de iones y luego utilizar este conocimiento para aumentar la conductividad."

El resultado de sus esfuerzos es un polvo cristalino que es un conductor de iones de litio superior a la media. No contiene azufre, sino fósforo, aluminio y una proporción comparativamente alta de litio. Las mediciones de laboratorio han demostrado que esta clase de sustancia, hasta ahora ignorada, tiene un alto nivel de conductividad.

En muy poco tiempo, los químicos crearon con éxito una docena de nuevos compuestos relacionados que contienen, por ejemplo, silicio o estaño en lugar de aluminio. Esta amplia base de nuevos materiales permite optimizar rápidamente sus propiedades.

Para averiguar por qué estos elementos son tan buenos conductores de iones, Fässler y sus colegas recurrieron a haces de neutrones para observar los procesos que tienen lugar en el interior de sus cristales.

"Los neutrones que tenemos del reactor de investigación permiten encontrar incluso los átomos más ligeros. Esto se debe a que los neutrones interactúan con los núcleos de los átomos y no con la corteza atómica, como ocurre con la radiación de rayos X", explicó Anatoliy Senyshyn, que supervisa el difractómetro de polvo de la Fuente de Neutrones de Investigación Heinz Maier-Leibnitz, que se utilizó para analizar el nuevo material electrolítico.

"En el pasado, ya habíamos investigado una variedad de miembros de la nueva y diversa familia de conductores sólidos de iones de litio. Podemos utilizar la difracción de neutrones para visualizar cómo los iones utilizan el espacio libre de la red cristalina para moverse".

En la nueva clase de sustancias, estos espacios libres están dispuestos de tal forma que los iones pueden moverse igual de bien en todas las direcciones. Esto es el resultado del alto grado de simetría que presentan los cristales y es probablemente la causa de la conductividad superiónica del litio, que el equipo de la TUM ha podido observar ahora.

Los polvos sintetizados son, por tanto, candidatos electrolíticos muy prometedores para futuras baterías de estado sólido. "Nuestra investigación básica puede acelerar el desarrollo de baterías de mayor rendimiento", afirma Fässler.