Los científicos de materiales de la Universidad de Duke han revelado una dinámica molecular similar a una rueda de paletas que ayuda a impulsar los iones de sodio a través de una clase de baterías de estado sólido en rápida evolución. Los conocimientos deberían guiar a los investigadores en su búsqueda de una nueva generación de baterías de iones de sodio para reemplazar la tecnología de iones de litio en una amplia gama de aplicaciones, como centros de datos y almacenamiento de energía en el hogar.
Los resultados aparecieron en línea el 10 de noviembre en la revista Energía y Ciencias Ambientales.
En general, las baterías recargables funcionan moviendo electrones a través de cables externos de un lado a otro y viceversa. Para equilibrar esta transferencia de energía, los átomos con carga eléctrica llamados iones, como los iones de litio, se mueven dentro de la batería a través de una sustancia química llamada electrolito. La rapidez y la facilidad con que estos iones pueden hacer su viaje juega un papel clave en la rapidez con la que se puede cargar una batería y la cantidad de energía que puede proporcionar en un período de tiempo determinado.
«La mayoría de los investigadores todavía tienden a centrarse en cómo el marco cristalino de un electrolito sólido podría permitir que los iones pasen rápidamente a través de una batería totalmente sólida», dijo Olivier Delaire, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de materiales en Duke. «En los últimos años, el campo ha comenzado a darse cuenta de que la dinámica molecular de cómo los átomos pueden saltar también es importante».
Las baterías de iones de litio han sido durante mucho tiempo la tecnología dominante utilizada para la mayoría de las aplicaciones comerciales que requieren almacenamiento de energía, desde diminutos relojes inteligentes hasta gigantescos centros de datos. Si bien han tenido mucho éxito, las baterías de iones de litio tienen varios inconvenientes que hacen que las nuevas tecnologías sean más atractivas para ciertas aplicaciones.
Por ejemplo, las baterías de iones de litio tienen un electrolito líquido en su interior que, si bien es extremadamente eficiente para permitir que los iones de litio se desplacen rápidamente, también es extremadamente inflamable. A medida que el mercado continúa creciendo exponencialmente, existe la preocupación de poder extraer suficiente litio de los depósitos globales relativamente limitados. Y algunos de los elementos de tierras raras utilizados en su construcción, como el cobalto y el manganeso, son aún más raros y solo se extraen en algunos lugares del mundo.
Muchos investigadores creen que se necesitan tecnologías alternativas para complementar la creciente demanda de almacenamiento de energía, y uno de los principales candidatos son las baterías de iones de sodio. Si bien no es tan energéticamente densa o rápida como sus baterías de iones de litio, la tecnología tiene muchas ventajas potenciales. El sodio es mucho más barato y más abundante que el litio. Los materiales requeridos para sus partes constituyentes también están mucho más comúnmente disponibles. Y al reemplazar el electrolito líquido con un material de electrolito de estado sólido, los investigadores pueden construir baterías totalmente sólidas que prometen ser más densas en energía, más estables y menos propensas a encenderse que las baterías recargables disponibles actualmente.
Estas ventajas llevan a los investigadores a considerar las baterías de iones de sodio como un reemplazo potencialmente viable para las baterías de iones de litio en aplicaciones que no están tan limitadas por los requisitos de espacio y velocidad como los teléfonos inteligentes delgados o los vehículos eléctricos livianos. Por ejemplo, los grandes centros de datos u otros edificios que requieren grandes cantidades de energía durante un largo período de tiempo son buenos candidatos.
«En general, esta es un área de investigación muy activa en la que las personas compiten hacia la próxima generación de baterías», dijo Delaire. «Sin embargo, no existe una comprensión fundamental suficientemente sólida de qué materiales funcionan bien a temperatura ambiente o por qué. Estamos brindando información sobre la dinámica atomística que permite que un candidato popular transporte sus iones de sodio de manera rápida y eficiente».
El material estudiado en estos experimentos es un tiofosfato de sodio, Na3PD4. Los investigadores ya sabían que la estructura cristalina de los átomos de fósforo y azufre crea un túnel unidimensional a través del cual pueden viajar los iones de sodio. Pero como explica Delaire, nadie había mirado para ver si el movimiento de los átomos vecinos también juega un papel importante.
Para averiguarlo, Delaire y sus colegas llevaron muestras del material al Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Al hacer rebotar los neutrones en los átomos a velocidades extremadamente rápidas, los investigadores capturaron una serie de instantáneas de los movimientos precisos de los átomos. Los resultados mostraron que las unidades PS4 de fósforo y azufre en forma de pirámide que enmarcan los túneles giran y giran en su lugar y casi actúan como ruedas de paletas que ayudan a que los iones de sodio se muevan a través.
«Este proceso ha sido teorizado antes, pero los argumentos generalmente se presentan de forma caricaturesca», dijo Delaire. «Aquí mostramos lo que realmente están haciendo los átomos y demostramos que, si bien hay algo de verdad en esta caricatura, también es mucho más compleja».
Los investigadores confirmaron los resultados de la dispersión de neutrones modelando computacionalmente la dinámica atómica en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética. El equipo utilizó un enfoque de aprendizaje automático para capturar la superficie de energía potencial en la que los átomos vibran y se mueven. Al no tener que volver a calcular las fuerzas mecánicas cuánticas en cada momento, el enfoque aceleró los cálculos en varios órdenes de magnitud.
Con los nuevos conocimientos sobre la dinámica atomística de un electrolito de iones de sodio y el nuevo enfoque para modelar rápidamente su comportamiento, Delaire espera que los resultados ayuden a impulsar el campo más rápidamente, desde Na3PD4 y más allá.
«Aunque este es uno de los materiales líderes debido a su alta conductividad iónica, ya se está buscando una versión ligeramente diferente que usa antimonio en lugar de fósforo», dijo Delaire. «Pero a pesar de la velocidad a la que se mueve el campo, los conocimientos y las herramientas que presentamos en este documento deberían ayudar a los investigadores a tomar mejores decisiones sobre dónde ir a continuación».
Esta investigación fue apoyada por el Departamento de Energía (DE-SC0019978, DE-AC02-05CH11231, DE-AC02-06CH11357) y el premio National Science Foundation EPSCOR RII Track 4 (No. 2033397).
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad de Duke. Original escrito por Ken Kingery. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
