Liderando la carga: una nueva investigación allana el camino para la energía

Tecnología científica

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

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

En un artículo publicado en Nature Materials, miembros del grupo de investigación de Andrew Rappe en la Universidad de Pensilvania colaboraron con investigadores del Instituto Max Planck y la Universidad de Cambridge y demostraron con éxito el crecimiento de capas monocristalinas de alta calidad de T-Nb2O5. alineados de una manera que permite que los iones de litio se muevan significativamente más rápido.

"Este cambio dramático permite una variedad de aplicaciones potenciales, desde carga de baterías de alta velocidad hasta computación energéticamente eficiente 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 los que vemos en las baterías actuales", dice el coautor Zhen Jiang, ex investigador postdoctoral en el Grupo Rappe.

Aaron Schankler, estudiante de posgrado de la Facultad de Artes y Ciencias, añade: "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 altere la estructura cristalina". de nuestra película delgada de T-Nb2O5, y ayudamos a racionalizar por qué los iones pueden entrar y salir de manera rápida y reversible”.

Rappe compara el T-Nb2O5 con una estructura de estacionamiento de varios niveles en la que los iones de litio son automóviles y la estructura del T-Nb2O5 forma canales abiertos, o rampas, que permiten a los automóviles subir y bajar entre los niveles.

"Al hacer crecer el T-Nb2O5 de modo que estos canales corran verticalmente, o 'arriba y abajo', nuestro equipo hizo posible que los iones de litio se movieran significativamente más rápido, permitiendo así cambios rápidos y colosales en las propiedades eléctricas de las películas delgadas al insertar los iones de litio entre los átomos en el terminal negativo de nuestro sistema”, dice el primer autor Hyeon Han del Instituto Max Planck.

Rappe señala que los investigadores de la Universidad de Cambridge trabajaron estrechamente 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, pasar de bloquear la corriente eléctrica a conducirla. Este es un cambio dramático; la resistividad del material disminuye en 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 mediante cálculos de la teoría funcional de la densidad, un método de mecánica cuántica utilizado para investigar la estructura electrónica de sistemas de muchos cuerpos, especialmente átomos, moléculas y fases condensadas. Rappe dice que con este método el equipo pudo calcular y predecir el comportamiento del material en diferentes condiciones.

Dice que los cálculos teóricos ayudaron a racionalizar las múltiples transiciones de fase que observaron, así como 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 eficazmente las propiedades electrónicas de las películas delgadas de T-Nb2O5.

"Los cálculos de simulaciones atómicas tienen grandes beneficios para avanzar en los fundamentos de la ciencia en el mundo académico, pero también en diversas tecnologías en la industria", afirma Arvin Kakekhani, ex investigador postdoctoral del Grupo Rappe. "Este trabajo muestra cómo estos cálculos pueden complementar los experimentos, dilucidando el papel de la difusión del 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 direccionalmente dependiente en esta clase de materiales tecnológicamente importante, lo cual es fundamental para comprender cómo operan estos materiales", dice Clare P. Gray de la Universidad de Cambridge.

Al manipular estas transiciones de fase, los investigadores demostraron que podían controlar de forma repetida y fiable 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 de la insaciable curiosidad científica", afirma Stuart SP Parkin del Instituto Max Planck. "Nuestra comprensión del T-Nb2O5 y materiales complejos similares ha mejorado drásticamente, estableciendo el rumbo hacia un futuro más sostenible y eficiente".

Andrew M. Rappe es profesor Blanchard de Química en el Departamento de Química de la Facultad de Artes y Ciencias, con un nombramiento secundario en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. También codirige el Programa Integrado Vagelos de Investigación Energética en la Universidad de Pensilvania.

Zhen Jiang y Arvin Kakekhani son ex investigadores postdoctorales del Grupo Rappe de la Facultad de Artes y Ciencias de Penn.

Aaron Schankler es un estudiante de posgrado en la Escuela de Artes y Ciencias de Penn.

Hyeon Han es investigador postdoctoral en el Instituto Max Planck de Física de Microestructuras, en Halle, Alemania.

Clare Philomena Gray es profesora Geoffrey Moorhouse Gibson en el Departamento de Química de la Universidad de Cambridge y miembro del Pembroke College de Cambridge.

Stuart SP Parkin es director del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras, Halle, Alemania, y profesor Alexander von Humboldt en la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg.

Esta investigación fue apoyada por el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (Subvención 737109); Fundación Alexander von Humboldt del Ministerio Federal de Educación e Investigación; Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias, Ciencias Energéticas Básicas (Premio DE-SC0019281); Proyecto CATMAT de la Institución Faraday (FIRG016); Oficina de Investigaciones Navales (Subvención N00014-20-1-2701); Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética del Departamento de Energía y la Oficina de Modernización de Computación de Alto Rendimiento (HPCMO) del Departamento de Defensa de EE. UU.