Diseño basado en el ordenamiento catiónico de halospinas de litio superiónicas

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Ciencias de los materiales computacionales

Sus antecedentes:

• Las baterías de estado sólido (ASSB) requieren electrolitos sólidos inorgánicos (SE) rentables para el almacenamiento de energía de próxima generación.
• El halospinel prometedor Li₂Sc_2/3Cl₄ SE tiene una alta conductividad iónica, pero está limitado por el alto costo del escandio (Sc).
• El desarrollo de alternativas de menor coste es crucial para la aplicación práctica de los ASSB.

Objetivo del estudio:

• Para examinar y sintetizar composiciones de halospinel sustituidas por cationes de bajo costo para electrolitos sólidos.
• Investigar el impacto de la sustitución catiónica en la conductividad iónica y la estabilidad.
• Establecer una metodología para predecir y descubrir nuevos materiales sólidos de electrolitos.

Principales métodos:

• Potencial interatómico de aprendizaje automático universal combinado de M3GNET (UMLIP) y teoría funcional de densidad (DFT) para el cribado eficiente de materiales.
• Experimentalmente sintetizado predijo Mg2+, Al3+ y Zr4+ sustituido por Li2+, Sc2/3 y Cl4 espineles.
• Empleó simulaciones de dinámica molecular (MD) con potenciales tensores de momento (MTP) para analizar los mecanismos de transporte de iones.

Principales resultados:

• Los halospineles sustituidos por Mg2+, Al3+ y Zr4+ sintetizados con fracciones de sustitución del 20,9%37,5%, logran conductividades iónicas de hasta 1,85 mS cm−1.
• Se ha logrado la sustitución de Fe3+, aunque con una impureza menor de Fe2+.
• Las simulaciones de MD revelaron que el orden de Li⁺/Sc³⁺/Mⁿ⁺ influye significativamente en la conductividad en composiciones sustituidas desordenadas.
• Se han demostrado ASSB con Li_1.75Sc_0.416Zr_0.25Cl₄ que funcionan a altas densidades de corriente (2 mA cm^-2) con una buena retención de capacidad (80% del rendimiento de baja velocidad).

Conclusiones:

• La sustitución de cationes rentable es una estrategia viable para mitigar el costo del material de los electrolitos sólidos de halospinel a base de Sc.
• La metodología computacional desarrollada acelera el descubrimiento de nuevos electrolitos sólidos de litio desordenados.
• Este trabajo proporciona una base para el diseño de ASSB de alto rendimiento a través del diseño de materiales racionales.