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(noticias nanowerk) Las baterías de iones de litio alimentaban el dispositivo en el que aparecen estas palabras. Desde teléfonos y portátiles hasta vehículos eléctricos, las baterías de iones de litio son vitales para la tecnología del mundo moderno, pero también pueden explotar. Compuestas por electrodos cargados negativa y positivamente y un electrolito para transportar iones a través de la cuenca, las baterías de iones de litio son tan buenas como los límites de sus componentes. Los electrolitos líquidos son potencialmente volátiles a altas temperaturas y su eficiencia puede verse limitada por faltas de uniformidad e inestabilidades de los otros componentes.
Los investigadores están trabajando para desarrollar baterías más seguras y eficientes utilizando electrolitos sólidos, un cambio significativo con respecto a la versión líquida que actualmente transporta iones en la mayoría de las baterías disponibles comercialmente. El desafío es que cada material de estado sólido tiene tantas desventajas como ventajas, según un equipo del Centro de Investigación de Ingeniería de Electrolitos de Baterías de Litio de Estado Sólido de Shenzhen en el Instituto de Investigación de Materiales de la Escuela Internacional de Graduados Tsinghua Shenzhen.
Para resolver este enigma, los investigadores combinaron dos de los principales candidatos de estado sólido (cerámica y polímero) en un nuevo electrolito compuesto.
Publicaron sus resultados en Materiales y dispositivos energéticos. (“LiTaO funcional3 Relleno con conductividad en tándem y ferroelectricidad para electrolitos sólidos compuestos a base de PVDF).
Las tesis centrales
Investigación
«Los electrolitos compuestos de estado sólido han recibido considerable atención debido a sus ventajas combinadas como electrolitos inorgánicos y poliméricos», dijo el coautor Yu Yuan, quien también está afiliado a la Escuela Internacional de Graduados Tsinghua Shenzhen. «Sin embargo, los rellenos cerámicos inorgánicos convencionales ofrecen una mejora limitada en la conductividad iónica de los electrolitos sólidos compuestos debido a la capa de carga espacial entre la matriz polimérica y la fase cerámica».
Los electrolitos cerámicos inorgánicos ofrecen una alta conductividad pero desarrollan resistencia cuando entran en contacto con otro sólido y son complicados de sintetizar. Los electrolitos poliméricos son más fáciles de fabricar, más flexibles y funcionan mejor con electrodos, pero su conductividad a temperatura ambiente es demasiado baja para uso comercial. Yuan dice que la combinación de los dos debería producir un electrolito flexible y altamente conductor que sea más fácil de sintetizar. Sin embargo, en realidad, los electrolitos sólidos compuestos cuando se mezclan presentan una separación entre sus componentes, la llamada capa de carga espacial, que limita su conductividad.
Para corregir esto, los investigadores utilizaron tantalato de litio, que tiene una estructura cristalina que se presta a propiedades ópticas y eléctricas únicas, como relleno funcional para mitigar la capa de carga espacial. El material conductor iónico cerámico es ferroeléctrico, lo que significa que puede invertir la carga eléctrica cuando se aplica corriente.
«El relleno no sólo mitiga la capa de carga espacial, sino que también proporciona una ruta adicional de transporte de iones de litio», dijo el coautor Likun Chen, quien también está afiliado a la Escuela Internacional de Graduados Tsinghua Shenzhen.
Los investigadores demostraron experimentalmente que el relleno de tantalato de litio reduce el cuello de botella en el transporte de iones de litio a través de la interfaz polímero-cerámica, lo que hace que los iones de litio se muevan a través del electrolito en mayores cantidades y a mayores velocidades.
El resultado, dicen los investigadores, es un electrolito con alta conductividad y un ciclo de vida prolongado, en referencia a la frecuencia con la que los iones pueden transportarse a través de la batería en los ciclos de carga y descarga, incluso a bajas temperaturas.
«Este trabajo propone una estrategia novedosa para desarrollar rellenos cerámicos integrados con propiedades ferroeléctricas y conductoras de iones para lograr un transporte de iones de litio de alto rendimiento de electrolitos sólidos compuestos para baterías avanzadas de litio-metal de estado sólido», dijo Yuan. «Nuestro enfoque arroja luz sobre el diseño de rellenos cerámicos funcionales para electrolitos sólidos compuestos para mejorar eficazmente la conductividad iónica y el rendimiento de la batería».
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