Visión atomística de la conducción fundamental de iones de litio en electrolitos sólidos sustituidos para baterías de litio

• Los miembros del grupo de Modelización y Simulación en Ciencias de la Vida y Materiales de BCAM, liderado por la Profesora Ikerbasque E. Akhmatskaya, han publicado un trabajo sobre el tema en una prestigiosa revista científica en colaboración con investigadores del CIC energiGUNE

Desde la electrificación del transporte (por ejemplo, vehículos eléctricos) hasta el apoyo a redes inteligentes (por ejemplo, almacenamiento de viento), las baterías recargables de iones de litio están llamadas a crear un nuevo paradigma energético. Sin embargo, el progreso en estos campos exige materiales nuevos y mejorados con alta conductividad iónica. En muchas aplicaciones es de suma importancia reemplazar los actuales electrolitos líquidos orgánicos, inflamables y tóxicos, por una alternativa sólida inorgánica que ofrezca mayor seguridad al evitar el desbordamiento térmico en caso de fallo de la batería.

El Li₇La₃Zr₂O₁₂, un prometedor electrolito sólido para la próxima generación de baterías de litio de estado sólido, podría ser una de esas alternativas. Sin embargo, la movilidad de iones de litio necesaria para las aplicaciones de baterías sólo se produce a altas temperaturas, tras una transición de fase a una estructura cúbica. Una estrategia muy común para estabilizar la fase cúbica a temperatura ambiente se basa en la sustitución aliovalente; concretamente, en la sustitución de iones Li⁺ por iones Al³⁺ y Ga³⁺. No obstante, a pesar de tener la misma carga formal, la sustitución por Ga³⁺ produce conductividades más altas (10^–3 S/cm) que la sustitución por Al³⁺ (10^–4 S/cm).

La causa de esa diferencia en las conductividades no se comprendía hasta ahora pero, por primera vez, el origen atomístico de este fenómeno ha sido revelado gracias a los avanzados métodos matemáticos desarrollados en el Centro Vasco de Matemáticas Aplicadas – BCAM (métodos de muestreo mejorados en Monte Carlo Híbrido, esquemas de integración de múltiples etapas y campos de fuerza optimizados). Los miembros del grupo MSLMS F.A. García Daza, M. R. Bonilla y E. Akhmatskaya, en colaboración con los investigadores del CIC energiGUNE J. Carrasco y A. Llordés, han publicado un estudio titulado Atomistic Insight into Ion Transport and Conductivity in Ga/Al-Substituted Li₇La₃Zr₂O₁₂ Solid Electrolytes en la prestigiosa revista científica ACS Applied Materials & Interfaces.

Los resultados de su investigación muestran que las vacancias generadas por la sustitución de Al/Ga están atrapadas en las proximidades de los iones Ga³⁺ y Al³⁺, afectando negativamente a la movilidad de Li⁺. Sin embargo, mientras que los iones Al³⁺ tienden a bloquear completamente las rutas de difusión de Li⁺ a su alrededor, las interacciones más repulsivas asociadas con los iones de Ga³⁺ conducen solamente a un bloqueo parcial de la difusión de Li⁺. Este efecto se incrementa a bajas temperaturas, y explica las conductividades más altas observadas en los sistemas sustituidos con Ga³⁺. En general, este estudio proporciona una valiosa información sobre el mecanismo fundamental de transporte de iones en la mayoría de los Li₇La₃Zr₂O₁₂ sustituidos por Ga/Al y allana el camino para racionalizar las estrategias de diseño de sustitución aliovalente para mejorar el transporte iónico en estos materiales.