El óxido de magnesio podría proteger baterías de estado sólido frágiles

Un recubrimiento de 1 nanómetro podría ayudar a resolver uno de los mayores problemas de las baterías de estado sólido. Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. indican que el óxido de magnesio es una capa protectora prometedora para electrolitos sólidos basados en sulfuros, una clase de materiales que podría aumentar la capacidad de almacenamiento de energía y la seguridad en comparación con las baterías de ion litio actuales.

El trabajo, publicado en Advanced Science, se centró en lithium phosphorus sulfur chloride (LPSCl), un electrolito sólido sulfuros que puede reaccionar en interfaces críticas de la batería, especialmente donde entra en contacto con el metal de litio. Esas reacciones pueden reducir el rendimiento y acortar la vida útil de la batería.

Para encontrar recubrimientos mejores, el equipo combinó cálculos y pruebas de laboratorio. Usando la teoría del funcional de la densidad, los investigadores examinaron una amplia gama de recubrimientos de óxidos que pueden aplicarse mediante deposición por capas atómicas (ALD), que crea películas ultrafinas y uniformes con precisión casi atómica. Modelaron cómo se comportarían los recubrimientos en los puntos de contacto con el electrolito, el metal de litio y los materiales del cátodo.

Lo que importaba no era simplemente si un recubrimiento era reactivo, sino qué productos de reacción se formaban. Los mejores recubrimientos generaron compuestos que permitían que los iones de litio siguieran moviéndose mientras limitaban el flujo de electrones.

«Este trabajo se centró en usar la computación para guiar esa búsqueda», dijo Justin Connell, científico de materiales de Argonne y científico del University of Chicago Consortium for Advanced Science and Engineering (CASE). «No podemos explorar experimentalmente todo el abanico de materiales posibles de forma razonable. Tomaría una eternidad y sencillamente no es posible.»

Lo que el óxido de magnesio hizo mejor

Argonne probó entonces varios candidatos recubriendo polvo de LPSCl mediante ALD. El óxido de magnesio destacó: mejoró la estabilidad en contacto con el metal de litio, redujo la resistencia en la interfaz y mejoró el rendimiento. Los investigadores también hallaron que bloqueaba el flujo de electrones mientras permitía que los iones de litio se movieran de manera eficiente.

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En comparación, el óxido de circonio era altamente estable por sí mismo pero rindió mal porque formó productos de reacción desfavorables. El óxido de zinc, a pesar de haber sido predicho como más reactivo en general, mostró comportamiento de transporte útil debido a los compuestos que se crearon en la interfaz.

«La deposición por capas atómicas nos ofrece una forma única de aplicar recubrimientos uniformes de apenas aproximadamente un nanómetro de espesor, incluso sobre superficies de polvo complejas», dijo Jeffrey Elam, químico sénior y miembro distinguido de Argonne. «Ese nivel de control nos permite probar nuevas químicas de recubrimiento de manera eficiente y conectar las predicciones computacionales con materiales reales.»

El equipo usó microscopía electrónica de transmisión de barrido y espectroscopía de rayos X con dispersión de energía en el Center for Nanoscale Materials de Argonne para confirmar que los recubrimientos estaban distribuidos de forma uniforme en las superficies de polvo.

El valor más amplio del estudio puede ser el propio método de búsqueda. Peter Zapol, el físico de Argonne que dirigió los cálculos y el cribado computacional, dijo que el enfoque ofrece una forma más predictiva de evaluar recubrimientos en lugar de depender del ensayo y error. Connell dijo que el mismo marco ahora podría usarse para estudiar otros sistemas, incluidos sulfuros, fluoruros, químicas binarias, químicas de recubrimiento ternarias y combinaciones de materiales.

El artículo se titula «Desarrollo guiado por computación de recubrimientos en polvo para electrolitos sólidos sulfurosos para una mayor estabilidad y rendimiento de baterías de estado sólido», por Aditya Sundar et al., publicado en Advanced Science (2025). DOI: 10.1002/advs.202513191.