Nuestra actividad científica está dirigida tanto a baterías y supercondensadores como al almacenamiento de energía térmica. Dado que la mayoría de los componentes de estos sistemas son sólidos, es evidente la relevancia de la aplicación de RMN en estado sólido en conjunción con el estado líquido.
Dada la heterogeneidad de materiales investigados, la plataforma de RMN en estado sólido de CIC energiGUNE se ha adaptado a lo largo de los últimos años de forma muy eficiente a la investigación de materiales cerámicos, sólidos inorgánicos paramagnéticos, metales y aleaciones, polímeros, sistemas grafiticos y composites formados por distintos materiales.
La RMN es una técnica cuantitativa no destructiva que permite la determinación estructural de materiales sólidos independientemente de su estado cristalino. De este modo, la RMN es fundamental para la caracterización de materiales sólidos desordenados como polímeros, sistemas semisólidos e inorgánicos amorfos.
La caracterización de este tipo de componentes es crucial para entender procesos de degradación de superficies, interfaces y la estructura de este tipo de materiales. La RMN en estado sólido es, así mismo, una técnica de caracterización local, ya que nos proporciona información sobre la estructura atómica alrededor de los átomos concretos que se miden. De este modo, esta técnica nos revela de forma clara la presencia de defectos estructurales locales que no son fácilmente identificables por métodos de difracción.
La Resonancia Magnética Nuclear en estado sólido es además enormemente versátil y precisa en la identificación y cuantificación de procesos dinámicos. Esta es otra característica ampliamente explotada en nuestro laboratorio dado que los procesos cinéticos son cruciales en los procesos electroquímicos y moleculares de los materiales de almacenamiento de energía.
Clave en la caracterización de las baterías de estado sólido
La cinética de los iones de litio y sodio tanto dentro de los electrolitos sólidos, como a través de las interfaces de los distintos componentes de las baterías es uno de los parámetros más importantes y menos entendidos en las baterías de litio y sodio. En particular, la sustitución de los electrolitos líquidos inflamables por electrolitos solidos sólidos más seguros y fiables requiere el desarrollo de materiales de alta conductividad de litio (generalmente polímeros, cerámicosCreo o composites de ambos) y de una óptima interacción con ánodos y cátodos.
La RMN en estado sólido representa una herramienta única en este sentido ya que permite, por un lado, la caracterización de polímeros como la determinación de procesos dinámicos de litio y su relación con la cinética del anión y de la matriz polimérica de forma cuantitativa.
Nuestro equipamiento de resonancia permite, además, caracterizaciones a temperaturas variables, con lo que las investigaciones cinéticas nos permiten obtener valores precisos de energía de activación. Estas energías de activación obtenidas están relacionadas con las movilidades locales de los átomos o iones investigados y son muy importantes a la hora de entender los valores experimentales de difusión iónica obtenidos por otras técnicas.
Dentro de la investigación de electrolitos sólidos, los composites generados por la mezcla de polímeros y cerámicos conductores de litio están atrayendo un interés creciente en la comunidad científica, con la idea de aunar la procesabilidad de los materiales poliméricos con la alta conductividad iónica de los cerámicos.
En este campo, la plataforma de RMN de CIC energiGUNE está llevando a cabo una intensa investigación y ha podido demostrar su aplicabilidad para determinar los procesos de intercambio de litio en la interface de polímeros y cerámicos. Esta investigación ha dado, recientemente, un paso más adelante proponiendo mecanismos de difusión en la interface.
Otros procesos dinámicos de mucha importancia en baterías son los procesos cinéticos de difusión de iones dentro de cátodos y ánodos. Estos procesos son también investigados en nuestro laboratorio de RMN y los resultados correlacionados con los rendimientos de los materiales desarrollados.
