Desde alimentar teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos, las baterías desempeñan un papel importante en la vida cotidiana. A pesar de su importancia, las baterías actuales todavía presentan importantes inconvenientes, incluido el alto costo y el riesgo de incendio o explosión. Las baterías de estado sólido se han considerado durante mucho tiempo como una alternativa más segura, pero el progreso ha sido lento debido a los desafíos para equilibrar la seguridad, el rendimiento y la compatibilidad. Ahora, un equipo de investigación de Corea del Sur ha demostrado que el rendimiento de la batería se puede mejorar significativamente mediante un diseño estructural inteligente únicamente, en lugar de depender de metales costosos.
El 7 de enero, un equipo de investigación dirigido por el profesor Dong-Hwa Seo del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del KAIST anunció un gran avance. El proyecto reunió a investigadores dirigidos por el Prof. Sung-Kyun Jung (Universidad Nacional de Seúl), el Prof. Yoon-Suk Jung (Universidad de Yonsei) y el Prof. Kyung-Wan Nam (Universidad Dongguk). Juntos, desarrollaron un nuevo enfoque de diseño para los materiales originales de baterías de estado sólido que utiliza materias primas más baratas y al mismo tiempo mantiene un rendimiento sólido y un bajo riesgo de incendio o explosión.
Por qué los electrolitos sólidos son seguros pero difíciles de optimizar
Las baterías de iones de litio tradicionales dependen de un electrolito líquido que permite que los iones de litio se muevan entre los electrodos. Las baterías totalmente de estado sólido reemplazan este líquido con un electrolito sólido, lo que mejora enormemente la seguridad. Sin embargo, los iones de litio se mueven más lentamente a través de los sólidos, y los intentos anteriores de acelerarlos a menudo se basaban en metales caros o técnicas de fabricación complicadas.
Utilizando la química cristalina para acelerar la movilidad del litio
Para resolver este problema, los investigadores se centraron en mejorar la forma en que los iones de litio viajan a través de electrolitos sólidos. Su técnica se centra en el uso de “aniones divalentes” como el oxígeno y el azufre. Estos elementos afectan la estructura cristalina del electrolito al convertirse en parte de su estructura básica, lo que puede cambiar la forma en que se mueven los iones dentro del material.
El equipo aplicó este concepto a un electrolito sólido de haluro de circonio (Zr) de bajo coste. Al introducir cuidadosamente aniones divalentes, pudieron ajustar con precisión la estructura interna del material. Este mecanismo, conocido como “mecanismo de regulación marco”, amplía las vías disponibles para los iones de litio y reduce la energía necesaria para moverlos. Como resultado, los iones de litio pueden viajar a través de sólidos de manera más rápida y eficiente.
El equipamiento avanzado garantiza la mejora estructural
Para garantizar que estos cambios estructurales funcionaran según lo previsto, los investigadores se basaron en métodos analíticos avanzados, que incluyen:
- Difracción de rayos X sincrotrón de alta energía (DRX sincrotrón)
- Análisis de función de distribución emparejada (PDF)
- Espectroscopia de absorción de rayos X (XAS)
- Modelado de la teoría funcional de la densidad (DFT) para estructura electrónica y difusión.
Estas técnicas permitieron al equipo examinar de cerca cómo cambió la estructura cristalina y cómo estos cambios afectaron el movimiento de los iones de litio.
Gane rendimiento utilizando materiales más baratos
Los experimentos han demostrado que agregar oxígeno o azufre al electrolito aumenta la movilidad de los iones de litio de dos a cuatro veces en comparación con los electrolitos convencionales a base de circonio. Esta mejora indica que las baterías de estado sólido pueden alcanzar niveles de rendimiento adecuados para el uso en el mundo real sin depender de materiales costosos.
A temperatura ambiente, el electrolito dopado con oxígeno alcanzó 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 la facilidad con la que los iones de litio se mueven a través de un material, y los valores superiores a 1 mS/cm generalmente se consideran adecuados para aplicaciones prácticas de baterías a temperatura ambiente.
Cambiando la innovación en baterías hacia el diseño inteligente
El profesor Dong-hwa Seo explicó la importancia más amplia del trabajo: “A través de esta investigación, hemos presentado un principio de diseño que puede mejorar el costo y el rendimiento de las baterías de estado sólido y, al mismo tiempo, utilizar materias primas más baratas. El potencial para aplicaciones industriales es grande”. El autor principal, Jae-Seung Kim, enfatizó que el estudio destaca un cambio en la investigación de baterías, ya que deja de centrarse únicamente en la elección de nuevos materiales y el diseño de mejores estructuras.
Apoyo a publicaciones e investigaciones.
El estudio, dirigido por los coautores Jae-Seung Kim (KAIST) y Da-Seul Han (Universidad Dongguk), fue publicado en la revista internacional comunicación de la naturaleza El 27 de noviembre de 2025.
La financiación para la investigación provino del Centro de Promoción de Tecnología Futura de Samsung Electronics, la Fundación Nacional de Investigación de Corea y el Centro Nacional de Supercomputación.
