Explorando la conductividad de iones de litio mediante simulaciones atomísticas y teoría de medios efectiva

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 en una prestigiosa revista científica en colaboración con investigadores del CIC energiGUNE


El cambio climático impulsado por los combustibles fósiles ha desencadenado un gran esfuerzo a nivel mundial para desarrollar tecnologías verdes para el almacenamiento de energía. Por el momento, las baterías recargables de iones de litio son la apuesta principal, ya que presentan las mayores densidades de energía volumétrica y gravimétrica en comparación con las alternativas disponibles (pilas de combustible, baterías de iones de nafta, plomo-ácido, etc.). Sin embargo, los electrolitos líquidos orgánicos inflamables y tóxicos que se utilizan en la actualidad en estas baterías están obstaculizando un aumento significativo en su capacidad de almacenamiento.

El Li7La3Zr2O12, un prometedor electrolito sólido para la próxima generación de baterías de litio de estado sólido, podría ser la solución a este problema. No obstante, la movilidad de iones de litio necesaria para las aplicaciones en baterías sólo se produce a altas temperaturas, tras una transición de fase de la estructura tetragonal a la cúbica. Una estrategia muy común para estabilizar la fase cúbica a temperatura ambiente es la sustitución de los iones Li+ por iones Al3+. Sin embargo, se han reportado variaciones muy grandes en la conductividad a las mismas concentraciones de Al3+, incluso para muestras que se someten exactamente al mismo procedimiento de síntesis.

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 híbridos de muestreo mejorados de Monte Carlo, esquemas de integración multietapa y campos de fuerza optimizados). Los miembros del grupo MSLMS E. Akhmatskaya, F. A. García Daza y M. R. Bonilla, en colaboración con el investigador del CIC energiGUNE J. Carrasco, han publicado en la prestigiosa revista científica Acta Materiala el estudio Exploring Li-ion conductivity in cubic, tetragonal and mixed-phase Al-substituted Li7La3Zr2O12  using atomistic simulations and effective medium theory. En enero, publicaron otro artículo sobre este tema en la prestigiosa revista científica ACS Applied Materials & Interfaces.

Los investigadores han descubierto que la sustitución de Al3+ en LLZO en la fase tetragonal permite que sitios previamente inaccesibles estén disponibles, lo que mejora la conductividad de Li-ion. Por el contrario, en la fase cúbica las vías de difusión de iones de litio se bloquean en las proximidades de los iones Al3+, lo que provoca una disminución de la conductividad. Además, al combinar las conductividades de las fases individuales a través de una aproximación efectiva del medio, la coexistencia de fases tiene un impacto significativo en la conductividad del LLZO sustituido por Al.

En general, el estudio teórico y las simulaciones de este trabajo avanzan nuestra comprensión actual de la movilidad de iones de litio en granates LLZO sustituidos por Al y podrían guiar futuros experimentos de caracterización en profundidad de estos materiales tan relevantes para el almacenamiento de energía.