La luz se puede utilizar para mejorar significativamente el rendimiento de las pilas de combustible, baterías de iones de litio y otros dispositivos que se basan en el movimiento de átomos cargados o iones, según ha descubierto una nueva investigación.
En un artículo publicado en Nature Materials, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts en EE. UU. y la Universidad de Kyushu en Japón explican que la carga se puede transportar a través de los materiales de diferentes maneras y que la luz se ha utilizado durante mucho tiempo para excitar electrones y hacerlos más conductivos. Las aplicaciones comunes incluyen celdas solares y puertas de supermercados que se abren automáticamente cuando pasa un cliente.
Pero según Harry L. Tuller, coautor del estudio, los dispositivos como las baterías de iones de litio y las celdas de combustible dependen del movimiento de los iones mismos en lugar de que sólo sus electrones constituyentes. En el primer caso, el movimiento se produce durante la carga y descarga de la batería, y en el segundo, los iones de hidrógeno y oxígeno se mueven para crear electricidad.
41563 El problema es que los materiales detrás de las aplicaciones basadas en el movimiento de iones, conocidos como electrolitos sólidos, son cerámicos. La cerámica se compone de diminutos granos de cristalitos que se compactan y se cuecen a altas temperaturas para formar una estructura densa. Los iones que viajan a través del material a menudo se bloquean en los límites entre los granos.
“Lo que encontramos es que la conductividad iónica, la velocidad a la que los iones pueden moverse y, por lo tanto, la eficiencia del dispositivo resultante, a menudo se degrada notablemente por el hecho de que los iones se bloquean en estos límites de grano”, dijo Tuller. en un comunicado de prensa.
Para resolver este problema, Tuller y su equipo de ingenieros exploraron cómo se puede usar la luz para reducir la barrera que encuentran los iones en los límites de los granos.
“Estamos reduciendo la altura de la barrera con la luz y, al hacerlo, podemos aumentar el flujo de iones en un factor de tres”, dijo Tuller. “Esperamos que podamos aumentar eso en órdenes de magnitud al optimizar el sistema”.
Los investigadores demostraron específicamente el efecto de la luz en el movimiento de los iones de oxígeno a través de un electrolito sólido popular compuesto de ceria y gadolinio, pero también se espera que sus hallazgos se apliquen a otros sistemas cerámicos que conducen diferentes elementos.
En opinión del grupo, este trabajo podría tener muchas aplicaciones. Por ejemplo, podría aumentar el rendimiento de los electrolitos de las baterías de litio delgadas al aumentar las tasas de carga. La luz también se puede enfocar con precisión, lo que permite controlar el flujo de iones espacialmente en ubicaciones específicas muy precisas.
La desventaja de esta propuesta es que algunos dispositivos basados en conductividad iónica, como las pilas de combustible de óxido sólido, deben funcionar a temperaturas muy altas (~700 grados centígrados) para que los iones para superar y moverse a través de las barreras fronterizas de grano. Y las altas temperaturas, a su vez, pueden hacer que el material se degrade, y la infraestructura para acomodar tales temperaturas es costosa.
“Nuestro sueño era ver si podíamos superar las barreras usando algo que no requiera calor. ¿Podríamos obtener las mismas conductividades con otra herramienta?” dijo el coautor del estudio, Thomas Defferriere.
“Esa herramienta resultó ser ligera, que nunca antes había sido explorada en este contexto”.
