Liderando la carga: una nueva investigación allana el camino para el almacenamiento de energía y la electrónica eficientes en energía

Desde la década de 1940, los científicos han estado explorando el uso del óxido de niobio, específicamente una forma de óxido de niobio conocido como T-Nb2O5, para crear baterías más eficientes. Este material único es conocido por su capacidad para permitir que los iones de litio, las diminutas partículas cargadas que hacen que las baterías funcionen, se muevan rápidamente dentro de él. Cuanto más rápido puedan moverse estos iones de litio, más rápido se podrá cargar una batería.

El rápido movimiento de los iones de litio a lo largo de los canales verticales 2D en la película delgada de óxido de T-Niobio (T-Nb2O5) da como resultado cambios únicos en las propiedades y una transición de persecución. Los poliedros azul y morado muestran redes T-Nb2O5, sin y con litio, respectivamente. Las esferas de color verde brillante representan iones de litio. Crédito de la imagen: Instituto Max Planck de Física de Microestructuras / Patricia Bondia

Sin embargo, el desafío siempre ha sido hacer crecer este material de óxido de niobio en capas finas y planas, o «películas», que sean de calidad suficiente para usarse en aplicaciones prácticas. Este problema surge de la estructura compleja de T-Nb2O5 y la existencia de muchas formas similares, o polimorfos, de óxido de niobio.

En un artículo publicado en Materiales de la naturalezamiembros de andres rappeel grupo de investigación de la Universidad de Pennsylvania colaboró ​​con investigadores en Instituto Max Planck y Universidad de Cambridge y han demostrado con éxito el crecimiento de capas monocristalinas de alta calidad de T-Nb2O5, alineadas de una manera que permite que los iones de litio se muevan significativamente más rápido.

“Este cambio drástico permite una variedad de aplicaciones potenciales, desde la carga de baterías de alta velocidad hasta la computación de bajo consumo y más”, dice Rappe.

«Nuestras modalidades convencionales de almacenamiento de litio en cátodos generalmente se basan en un proceso de recristalización que tiende a interferir con la estructura, como las que vemos en las baterías actuales», dice el coautor Zhen Jiang, ex investigador postdoctoral en el grupo rapero.

Aaron Schankler, estudiante de posgrado en la Escuela de Artes y Cienciasagrega: «Lo que ha hecho el equipo de Max Planck y la Universidad de Cambridge es encontrar una manera de mover los iones de litio de una manera que no interrumpa la estructura cristalina de nuestra película delgada T-Nb2O5, y ayudamos a racionalizar por qué los iones pueden entrar y salir de forma rápida y reversible”.

Rappe compara T-Nb2O5 con una estructura de estacionamiento de automóviles de varios niveles en la que los iones de litio son automóviles y la estructura de T-Nb2O5 forma canales abiertos, o rampas, que permiten que los automóviles se muevan hacia arriba y hacia abajo entre los niveles.

“Al hacer crecer el T-Nb2O5 para que estos canales corran verticalmente, o ‘hacia arriba y hacia abajo’, nuestro equipo hizo posible que los iones de litio se movieran significativamente más rápido, lo que permitió cambios rápidos y colosales en las propiedades eléctricas de películas delgadas al insertar los iones de litio entre los átomos en la terminal negativa de nuestro sistema”, dice el primer autor Hyeon Han del Instituto Max Planck.

Rappe señala que los investigadores de la Universidad de Cambridge trabajaron en estrecha colaboración con su equipo y descubrieron múltiples transiciones previamente desconocidas en la estructura del material a medida que cambiaba la concentración de iones de litio.

Estas transiciones cambian las propiedades electrónicas del material, permitiéndole pasar de ser un aislante a un metal, es decir, pasa de bloquear la corriente eléctrica a conducirla. Este es un cambio dramático; la resistividad del material disminuye por un factor de 100 mil millones.

El equipo de Penn desarrolló el trabajo computacional para teorizar las condiciones necesarias para dar lugar a la estabilidad de las transiciones a través de los cálculos de la teoría funcional de la densidad, un método mecánico cuántico utilizado para investigar la estructura electrónica de los sistemas de muchos cuerpos, especialmente átomos, moléculas y el fases condensadas. Rappe dice que con este método, el equipo pudo calcular y predecir el comportamiento del material en diferentes condiciones.

Él dice que los cálculos teóricos ayudaron a racionalizar las múltiples transiciones de fase que observaron, así como también cómo estas fases podrían estar relacionadas con la concentración de iones de litio y su disposición dentro de la estructura cristalina. Esta comprensión, a su vez, permitió a los investigadores controlar y manipular con eficacia las propiedades electrónicas de las películas delgadas de T-Nb2O5.

“Los cálculos de simulaciones atomísticas tienen grandes beneficios en el avance de los fundamentos de la ciencia en la academia, pero también en varias tecnologías en la industria”, dice Arvin Kakekhani, ex investigador postdoctoral en Rappe Group. «Este trabajo muestra cómo estos cálculos pueden complementar los experimentos, aclarando el papel de la difusión de litio en las propiedades eléctricas de importantes baterías de estado sólido y materiales electrónicos».

“La capacidad de controlar la orientación de estas películas nos permite explorar el transporte dependiente de la dirección en esta clase de materiales tecnológicamente importantes, lo cual es fundamental para comprender cómo funcionan estos materiales”, dice Clare P. Gray de la Universidad de Cambridge.

Al manipular estas transiciones de fase, los investigadores demostraron que podían controlar repetidamente y de manera confiable las propiedades electrónicas de estas películas delgadas. Además, al alterar la composición química del electrodo de «puerta», un componente que controla el flujo de iones en un dispositivo, pudieron ajustar el voltaje al que el material se vuelve metálico, ampliando aún más las posibles aplicaciones.

“Esta investigación es un testimonio del poder de las colaboraciones interdisciplinarias y la curiosidad científica insaciable”, dice Stuart SP Parkin del Instituto Max Planck. «Nuestra comprensión de T-Nb2O5 y materiales complejos similares se ha mejorado drásticamente, marcando el rumbo para un futuro más sostenible y eficiente».

Fuente: Universidad de Pennsylvania