Un avance en baterías de estado sólido promete almacenamiento de energía más seguro

Los investigadores, dirigidos por el profesor Kisuk Kang, del Centro de Investigación de Nanopartículas del Instituto de Ciencias Básicas (IBS), anunciaron este importante avance en un artículo publicado en la revista Science.

Una enorme preocupación respecto a las baterías comerciales actuales, es su dependencia de electrolitos líquidos, que conllevan riesgos de inflamabilidad y explosión. Por ello, el desarrollo de electrolitos sólidos incombustibles es de vital importancia para avanzar en la tecnología de las pilas de estado sólido.

A medida que el mundo se prepara para regular los vehículos con motor de combustión interna y ampliar el uso de vehículos eléctricos en el actual cambio global hacia el transporte sostenible, la investigación sobre los componentes básicos de las baterías secundarias, en particular las baterías de estado sólido, ha cobrado un impulso significativo.

Para que las baterías de estado sólido resulten prácticas para el uso cotidiano, es crucial desarrollar materiales con alta conductividad iónica, sólida estabilidad química y electroquímica y flexibilidad mecánica.

Si bien las investigaciones anteriores han dado lugar a electrolitos sólidos basados en sulfuros y óxidos con una elevada conductividad iónica, ninguno de estos materiales cumplía plenamente todos estos requisitos esenciales.

En el pasado, los científicos también exploraron electrolitos sólidos basados en cloruros, conocidos por su conductividad iónica superior, su flexibilidad mecánica y su estabilidad a altos voltajes.

Estas propiedades llevaron a algunos a especular con que las pilas basadas en cloruros eran las candidatas más probables para las baterías de estado sólido.

Sin embargo, estas esperanzas se desvanecieron rápidamente, ya que las baterías de cloruro se consideraron poco prácticas debido a su fuerte dependencia de costosos metales de tierras raras, incluidos el itrio, el escandio y los elementos lantánidos, como componentes secundarios.

Para resolver estos problemas, el equipo de investigación del IBS estudió la distribución de los iones metálicos en los electrolitos de cloruro.

Creían que la razón por la que los electrolitos de cloruro trigonal pueden alcanzar una baja conductividad iónica se basa en la variación de la disposición de los iones metálicos dentro de la estructura.

Primero probaron esta teoría con cloruro de litio-itrio, un compuesto común de cloruro metálico de litio. Cuando los iones metálicos se situaban cerca del camino de los iones de litio, las fuerzas electrostáticas causaban obstrucciones en su movimiento.

Por el contrario, si la ocupación de iones metálicos era demasiado baja, el camino de los iones de litio se hacía demasiado estrecho, impidiendo su movilidad.

Basándose en estos conocimientos, el equipo de investigación introdujo estrategias para diseñar electrolitos que mitigaran estos factores contradictorios, lo que en última instancia condujo al desarrollo de un electrolito sólido de alta conductividad iónica.

Una nueva batería de estado sólido

El grupo fue más allá y demostró con éxito esta estrategia creando una batería de litio-metal-cloruro de estado sólido basada en circonio, mucho más barata que las variantes que emplean metales de tierras raras.

Es la primera vez que se demuestra la importancia de la disposición de los iones metálicos en la conductividad iónica de un material.

Esta investigación saca a la luz el papel, a menudo pasado por alto, de la distribución de los iones metálicos en la conductividad iónica de los electrolitos sólidos basados en cloruros.

Se espera que la investigación del Centro IBS allane el camino para el desarrollo de diversos electrolitos sólidos a base de cloruro e impulse aún más la comercialización de baterías de estado sólido, prometiendo una mayor asequibilidad y seguridad en el almacenamiento de energía.

El autor correspondiente, Kisuk Kang, declaró que este electrolito sólido a base de cloruro recién descubierto está preparado para superar las limitaciones de los electrolitos sólidos convencionales a base de sulfuro y óxido, acercándonos un paso más a la adopción generalizada de las baterías de estado sólido.