Las baterías son una tecnología esencial en la sociedad moderna, ya que alimentan teléfonos inteligentes y vehículos eléctricos. Sin embargo, enfrentan limitaciones como riesgos de incendio y explosión, y altos costos. Si bien las baterías de estado sólido han ganado popularidad como una alternativa viable, ha sido difícil satisfacer simultáneamente las necesidades de seguridad, rendimiento y costo. Recientemente, un equipo de investigación coreano mejoró con éxito el rendimiento de las baterías de estado sólido simplemente mediante el diseño estructural, sin agregar metales costosos.
El KAIST anunció el 7 de enero que un equipo de investigación dirigido por el profesor Dong-Hwa Seo del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, en colaboración con equipos dirigidos por el profesor Sung-Kyun Jung (Universidad Nacional de Seúl), el profesor Youn-Suk Jung (Universidad de Yonsei) y el profesor Kyung-Wan Nam (Universidad de Dongguk), ha desarrollado un método de diseño para materiales centrales para baterías de estado sólido que utiliza materias primas de bajo costo y al mismo tiempo garantiza un alto rendimiento y un bajo riesgo de incendio o explosión.
Las baterías convencionales se basan en el movimiento de iones de litio a través de un electrolito líquido. En cambio, las baterías de estado sólido utilizan un electrolito sólido. Si bien esto las hace más seguras, lograr un movimiento rápido de iones de litio dentro de un sólido generalmente requería metales costosos o procesos de fabricación complejos.
Aniones divalentes
Para crear vías eficientes para el transporte de iones de litio dentro del electrolito sólido, el equipo de investigación se centró en aniones divalentes, como el oxígeno y el azufre. Estos aniones desempeñan un papel crucial en la alteración de la estructura cristalina al integrarse en la estructura básica del electrolito.
El equipo desarrolló una tecnología para controlar con precisión la estructura interna de electrolitos sólidos de haluro de circonio (Zr) de bajo costo mediante la introducción de estos aniones divalentes. Este principio de diseño, denominado "Mecanismo de Regulación Marco", amplía las vías de los iones de litio y reduce las barreras energéticas que encuentran durante su transporte. Al ajustar el entorno de enlace y la estructura cristalina alrededor de los iones de litio, el equipo logró un movimiento más rápido y sencillo.
Para verificar estos cambios estructurales, los investigadores utilizaron varias técnicas de análisis de alta precisión, entre ellas:
- Difracción de rayos X de sincrotrón de alta energía (DRX de sincrotrón)
- Análisis de la función de distribución de pares (PDF)
- Espectroscopia de absorción de rayos X (XAS)
- Modelado de la teoría del funcional de la densidad (DFT) para la estructura electrónica y la difusión.
El poder del circonio
Los resultados mostraron que los electrolitos que incorporan oxígeno o azufre mejoraron la movilidad de los iones de litio de 2 a 4 veces en comparación con los electrolitos convencionales a base de circonio. Esto significa que se pueden lograr niveles de rendimiento adecuados para aplicaciones prácticas de baterías de estado sólido utilizando materiales económicos.
En concreto, la conductividad iónica a temperatura ambiente se midió en aproximadamente 1,78 mS/cm para el electrolito dopado con oxígeno y 1,01 mS/cm para el electrolito dopado con azufre. La conductividad iónica indica la rapidez y fluidez con la que se mueven los iones de litio; un valor superior a 1 mS/cm se considera generalmente suficiente para aplicaciones prácticas de baterías a temperatura ambiente.
El profesor Dong-Hwa Seo afirma que "a través de esta investigación, hemos presentado un principio de diseño que puede mejorar simultáneamente el costo y el rendimiento de las baterías de estado sólido utilizando materias primas económicas. Su potencial de aplicación industrial es muy alto". El autor principal, Jae-Seung Kim, añadió que el estudio cambia el enfoque en el desarrollo de materiales para baterías: de "qué materiales usar" a "cómo diseñarlos".
galan
10/01/2026