Un cambio de diseño podría revolucionar las baterías de estado sólido

Las baterías son fundamentales en la vida cotidiana, desde alimentar smartphones hasta permitir el funcionamiento de vehículos eléctricos. Sin embargo, las baterías actuales presentan desventajas significativas, como altos costos y el riesgo de incendios o explosiones. Las baterías de estado sólido se consideran una alternativa más segura, pero su desarrollo ha sido lento debido a la dificultad de equilibrar seguridad, rendimiento y costo. Recientemente, un equipo de investigación en Corea del Sur demostró que el rendimiento de las baterías puede mejorarse significativamente mediante un diseño estructural inteligente, sin depender de metales costosos.

El 7 de enero, el KAIST anunció un avance logrado por un equipo de investigación liderado por el profesor Dong-Hwa Seo del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. El proyecto reunió a investigadores como el profesor Sung-Kyun Jung de la Universidad Nacional de Seúl, el profesor Youn-Suk Jung de la Universidad Yonsei y el profesor Kyung-Wan Nam de la Universidad Dongguk. Juntos, desarrollaron un nuevo enfoque de diseño para los materiales clave de las baterías de estado sólido que utiliza ingredientes crudos económicos, manteniendo un alto rendimiento y un menor riesgo de incendio o explosión.

Por qué los electrolitos sólidos son más seguros pero difíciles de optimizar

Las baterías de iones de litio tradicionales dependen de un electrolito líquido que permite el movimiento de iones de litio entre los electrodos. Las baterías de estado sólido reemplazan este líquido por un electrolito sólido, lo que mejora significativamente la seguridad. Sin embargo, los iones de litio se mueven más lentamente a través de sólidos, y los esfuerzos anteriores para acelerar este movimiento a menudo dependieron de metales costosos o técnicas de fabricación complicadas.

Uso de la química cristalina para acelerar el movimiento de litio

Para resolver este problema, los investigadores se centraron en mejorar cómo los iones de litio viajan a través de los electrolitos sólidos. Su estrategia se centró en el uso de "aniones divalentes" como el oxígeno y el azufre. Estos elementos influyen en la estructura cristalina del electrolito al formar parte de su estructura fundamental, lo que puede cambiar cómo se mueven los iones dentro del material.

El equipo aplicó esta idea a los electrolitos sólidos haluros a base de zirconio (Zr) de bajo costo. Al introducir cuidadosamente aniones divalentes, lograron ajustar con precisión la estructura interna del material. Este enfoque, conocido como el "Mecanismo de Regulación de Estructura", expande las vías disponibles para los iones de litio y reduce la energía necesaria para su movimiento. Como resultado, los iones de litio pueden viajar más rápida y eficientemente a través del material sólido.

Herramientas avanzadas confirman mejoras estructurales

Para confirmar que estos cambios estructurales funcionaron como se esperaba, los investigadores utilizaron una variedad de métodos analíticos avanzados, incluyendo:

- Difracción de rayos X de alta energía (Synchrotron XRD)

- Análisis de Función de Distribución de Pares (PDF)

- Espectroscopía de Absorción de Rayos X (XAS)

- Modelado de Teoría de Funcionales de Densidad (DFT) para estructura electrónica y difusión

Estas técnicas permitieron al equipo examinar de cerca cómo cambió la estructura cristalina y cómo esos cambios afectaron el movimiento de los iones de litio.

Aumentos de rendimiento utilizando materiales económicos

Las pruebas mostraron que la adición de oxígeno o azufre al electrolito aumentó la movilidad de los iones de litio de dos a cuatro veces en comparación con los electrolitos convencionales a base de zirconio. Esta mejora indica que las baterías de estado sólido pueden alcanzar niveles de rendimiento adecuados para su uso en el mundo real sin depender de materiales costosos.

A temperatura ambiente, el electrolito dopado con oxígeno logró una conductividad iónica de aproximadamente 1.78 mS/cm, mientras que la versión dopada con azufre alcanzó aproximadamente 1.01 mS/cm. La conductividad iónica mide cuán fácilmente se mueven los iones de litio a través de un material, y valores superiores a 1 mS/cm se consideran generalmente adecuados para aplicaciones prácticas de baterías a temperatura ambiente.

Desplazando la innovación en baterías hacia un diseño más inteligente

El profesor Dong-Hwa Seo explicó la importancia más amplia del trabajo, afirmando: "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 baratas. Su potencial para aplicaciones industriales es muy alto". El autor principal Jae-Seung Kim enfatizó que el estudio destaca un cambio en la investigación de baterías, moviendo la atención de simplemente elegir nuevos materiales hacia el diseño de mejores estructuras.

Publicación y apoyo a la investigación

El estudio, liderado por los co-primeros autores Jae-Seung Kim (KAIST) y Da-Seul Han (Universidad Dongguk), fue publicado en la revista internacional Nature Communications el 27 de noviembre de 2025.

El financiamiento para la investigación fue proporcionado por el Centro de Promoción de Tecnología Futura de Samsung Electronics, la Fundación Nacional de Investigación de Corea y el Centro Nacional de Supercomputación.

Temas