Investigadores de TU Graz mejoran la conductividad del titanato de litio mediante el “perforado de huecos” en la red cristalina
Los investigadores de la TU Graz han encontrado una forma de aumentar significativamente la conductividad iónica del titanato de litio, lo que podría abrir nuevas posibilidades para el material del ánodo de las baterías. Al introducir deliberadamente defectos en la estructura de red cristalina del material, “activaron una vía que anteriormente estaba bloqueada” para los iones de litio.
Junto con el grafito, el titanato de litio (LTO) es un material de ánodo ampliamente utilizado en baterías. Sin embargo, en su estado sin tratar, conduce mal los iones de litio. Su alta conductividad iónica solo se desarrolla durante la carga de la batería, cuando se intercalan más iones de litio y electrones en el material.
Los 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, utilizando un enfoque completamente nuevo. La pareja logró esto creando deliberadamente ‘agujeros’ en la red cristalina, conocidos como vacantes de oxígeno. “Cuando se eliminan átomos individuales de oxígeno de la red cristalina, estas vacantes abren un camino de migración para los iones que antes estaba bloqueado. Este camino de difusión ya está definido por la estructura del LTO, pero solo se activa gracias a la estructura defectuosa”, explica Wilkening. Los resultados del estudio experimental fueron publicados en la revista Science Advances.
Para crear las vacantes en el LTO, los investigadores calentaron el titanato de litio en una atmósfera con bajo contenido de oxígeno hasta 300 grados Celsius. “Este calentamiento suave elimina los átomos de oxígeno individuales del cristal”, continúa Wilkening. “Las vacantes aniónicas que se generan en la red cristalina influyen directamente en la movilidad de los cationes de litio y transforman al conductor iónico, que originalmente era deficiente, en uno significativamente mejor. El ejemplo del LTO demuestra claramente el enorme impacto que tienen las estructuras de defectos atómicos en la función macroscópica de un material.”
Validación experimental compleja
Los investigadores demostraron experimentalmente la rápida conducción iónica mediante una combinación de espectroscopia de conductividad y espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN). Las mediciones por RMN proporcionaron evidencia experimental directa del nuevo camino de difusión atómica activado.
“Nuestro estudio experimental demuestra de manera impresionante que las propiedades de un sólido no están determinadas únicamente por su composición química, sino que también se ven influenciadas de forma significativa por su estructura local de defectos y su historia térmica”, resume Martin Wilkening. “Demostramos cómo se puede controlar con precisión la movilidad de los pequeños cationes de litio utilizando conceptos clásicos de química de defectos aniónicos”.
El trabajo también sirve como un ejemplo destacado de cómo la investigación fundamental impulsada por la curiosidad puede dar lugar a nuevas funcionalidades en los materiales”, señalan los investigadores. “El control dirigido de la conductividad iónica a través de la química de defectos abre perspectivas a largo plazo para componentes ionotrópicos, memristivos y neuromórficos en la microelectrónica y nanoelectrónica”.