Los investigadores de la TU Graz perforan la red cristalina del litio-titanato
Los investigadores de la TU Graz han encontrado una forma de aumentar significativamente la conductividad iónica del litio titanato. En experimentos pudieron demostrar que los defectos generados de forma intencionada en la red cristalina “activan una vía de transporte para iones de litio que hasta ahora estaba bloqueada”. Sin embargo, se trata aún de investigación básica clásica.
El litio titanato (LTO) es, junto con el grafito, un material de ánodo muy utilizado en baterías. No obstante, en su estado sin tratar conduce mal los iones de litio. Solo desarrolla una alta conductividad iónica al cargarse la batería, cuando se almacenan iones de litio y electrones adicionales en el material.
Los dos investigadores Bernhard Gadermaier y Martin Wilkening, del Instituto de Tecnología Química de Materiales de la TU Graz, han logrado ahora transformar el LTO puro („no litiado“) con su composición original Li4Ti5O12 en un conductor iónico significativamente mejor por un método completamente diferente: el dúo afirma haber creado intencionadamente „agujeros“ en la red cristalina, denominados defectos de oxígeno. „Cuando se eliminan átomos individuales de oxígeno de la red cristalina, surgen estas vacantes que liberan un camino de migración hasta ahora bloqueado para los iones. Este camino de difusión ya está predeterminado en el material por la estructura del LTO, pero solo se activa gracias a la estructura de defectos“, explica Wilkening. Los resultados del estudio experimental fueron publicados en la revista especializada „Science Advances“.
Para crear las deficiencias en el LTO, los investigadores calentaron el litio-titanato a 300 grados Celsius en una atmósfera pobre en oxígeno. “Gracias a este calentamiento suave, se eliminan átomos de oxígeno individuales del cristal”, continúa Wilkening. “Las deficiencias aniónicas que se generan en la red cristalina tienen un impacto directo en las posibilidades de movimiento de los cationes de litio, lo que convierte a un material originalmente deficiente en un conductor iónico significativamente mejor. El ejemplo del LTO muestra de manera especialmente clara la enorme influencia que tienen las estructuras defectuosas atómicas en el funcionamiento macroscópico de un material.”
Verificación experimental compleja
Los investigadores pudieron demostrar experimentalmente la rápida conducción iónica mediante la combinación de espectroscopia de conductividad y espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN). Las mediciones por RMN proporcionaron la prueba experimental directa del nuevo camino de difusión atómica activado.
“Nuestro estudio experimental demuestra de manera contundente que las propiedades de un sólido no están determinadas únicamente por su composición química, sino también, en medida decisiva, por su estructura local de defectos y su historia térmica”, resume Martin Wilkening. “Mostramos cómo, con los conceptos clásicos de la química de defectos aniónicos, se puede controlar de forma específica la movilidad de los pequeños cationes de litio”.
“Este trabajo es al mismo tiempo un ejemplo paradigmático de cómo la investigación básica sin fines específicos genera nuevas funciones en los materiales”, dijeron los investigadores. Además: “El control dirigido de la conductividad iónica mediante química de defectos abre perspectivas a largo plazo para componentes ionotrónicos, memristivos y neuromórficos en la microelectrónica y nanoelectrónica.”