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Las baterías y las pilas de combustible a menudo dependen de un proceso conocido como difusión de iones para funcionar. Durante la difusión iónica, los átomos ionizados se mueven a través de materiales sólidos, como el proceso de absorción de agua del arroz cuando se cocina. Al igual que cocinar arroz, la difusión de iones depende increíblemente de la temperatura y requiere que las altas temperaturas se produzcan rápidamente.
Esta dependencia de la temperatura puede ser limitante, porque los materiales utilizados en ciertos sistemas, como las pilas de combustible, deben soportar altas temperaturas, en ocasiones superiores a los 1000 grados centígrados. En un nuevo estudio, un equipo de investigadores del MIT y la Universidad de Münster en Alemania han mostrado un nuevo efecto, donde la difusión de iones se mejora mientras el material permanece frío, excitando solo una cierta cantidad de vibraciones llamadas fonones. Este nuevo enfoque, que el equipo llama "catálisis fonónica", podría conducir a un campo de investigación completamente nuevo. Su trabajo ha sido publicado en Informes celulares Ciencias físicas.
En el estudio, el equipo de investigación utilizó un modelo computacional para determinar qué vibraciones realmente causaron que los iones se movieran durante la dispersión de iones. En lugar de elevar la temperatura de todo el material, elevaron la temperatura de esas vibraciones específicas en un proceso que llaman excitación de fonones dirigida.
"Solo calentamos las vibraciones que importan y, al hacerlo, pudimos demostrar que se puede mantener el material frío, pero se comporta como si estuviera muy caliente", dice Asegun Henry, profesor de ingeniería mecánica y coautor. de El estudio.
Esta capacidad de mantener los materiales fríos durante la difusión de iones podría tener una amplia gama de aplicaciones. En el ejemplo de la celda de combustible, si no fuera necesario exponer toda la celda a temperaturas extremadamente altas, los ingenieros podrían usar materiales más baratos para construirla. Esto reduciría el costo de las pilas de combustible y las ayudaría a durar más, lo que resolvería el problema de la corta vida útil de muchas pilas de combustible.
El proceso también podría tener implicaciones para las baterías de iones de litio.
“El descubrimiento de nuevos conductores iónicos es clave para el avance de las baterías de litio, y las oportunidades incluyen el uso de metal de litio, que potencialmente puede duplicar la energía de las baterías de iones de litio. Desafortunadamente, falta la comprensión fundamental de la conducción de iones ”, agrega Yang Shao-Horn, profesor de energía de W.M. Keck y coautor.
Este nuevo trabajo se basa en su investigación anterior., en particular, el trabajo de Sokseiha Muy PhD '18 sobre los principios de diseño de conductores de iones, que muestra que la reducción de la energía de los fonones en las estructuras reduce la barrera a la difusión de iones y potencialmente aumenta la conductividad de los iones. Kiarash Gordiz, un becario postdoctoral que trabaja en conjunto con el Grupo de Investigación de Energía y Simulación Atómica de Henry y el Laboratorio de Energía Electroquímica de Shao-Horn, se preguntó si podrían combinar la investigación de Shao-Horn sobre la conducción de iones con la investigación de Henry sobre la transferencia de calor.
“Utilizando el trabajo anterior del profesor Shao-Horn sobre conductores iónicos como punto de partida, nos propusimos determinar exactamente qué modos de fonón contribuyen a la dispersión de iones”, dice Gordiz.
Henry, Gordiz y su equipo utilizaron un modelo de fosfato de litio, que a menudo se encuentra en las baterías de iones de litio. Utilizando un método computacional conocido como análisis en modo normal, junto con extensos cálculos de bandas elásticas y simulaciones de dinámica molecular, el grupo de investigación calculó cuantitativamente la contribución de cada fonón al proceso de difusión de iones en fosfato de litio.
Armados con este conocimiento, los investigadores podrían usar láseres para excitar o calentar selectivamente fonones específicos, en lugar de exponer todo el material a altas temperaturas. Este método podría abrir un nuevo mundo de posibilidades.
El amanecer de un nuevo dominio
Henry cree que este método podría conducir a la creación de una nueva área de investigación, una que él llama "catálisis fonética". Si bien el nuevo trabajo se centra específicamente en la difusión de iones, Henry ve aplicaciones en reacciones químicas, transformaciones de fase y otros fenómenos dependientes de la temperatura.
"Nuestro grupo está fascinado con la idea de que podría catalizar todo tipo de cosas ahora que tenemos la técnica para determinar qué fonones importan", dice Henry. "Todas estas reacciones que normalmente requieren temperaturas extremas ahora pueden ocurrir a temperatura ambiente".
Henry y su equipo comenzaron a explorar las posibles aplicaciones de la catálisis fonónica. Gordiz buscó usar el método para conductores de litio superiónicos, que podrían usarse en el almacenamiento de energía limpia. El equipo también está considerando aplicaciones como un superconductor a temperatura ambiente e incluso la creación de diamantes, que requieren una presión y temperaturas extremadamente altas que podrían activarse a temperaturas mucho más bajas mediante catálisis fonética.
"Esta idea de excitación selectiva, centrada solo en las partes que necesita en lugar de en todo, podría ser un cambio de paradigma realmente grande en la forma en que operamos las cosas", dice Henry. "Necesitamos comenzar a considerar la temperatura como un espectro y no solo como un número".
Los investigadores planean mostrar más ejemplos de excitación de fonones dirigidos que operan en diferentes materiales. En el futuro, esperan demostrar que su modelo computacional funciona experimentalmente con estos materiales.
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