Baterías de estado sólido de iones de magnesio: más seguras y eficientes que las de litio

Aún es bastante temprano para prometer baterías de estado sólido con mayor densidad energética que no exploten. Sin embargo, investigadores del Centro Conjunto para la Investigación de Almacenamiento de Energía han desarrollado un conductor de estado sólido de iones de magnesio que irá muy lejos hacia la creación de baterías de magnesio no inflamables con mayor capacidad de almacenamiento de energía.

La razón por la que las baterías de litio explotan es que están hechas de electrolito líquido que transporta carga de ida y vuelta entre ánodo y cátodo, lo que lo hace material potencialmente inflamable. Sin embargo, el conductor de estado sólido de magnesio, que puede usarse como electrolito (no líquido), es resistente al fuego. Esto significa que en el futuro no veremos Samsung Galaxies e iPhones estallando en pedazos.

Varias empresas, incluyendo Toyota y KIT, se han centrado en construir un mejor electrolito líquido, pero tienden a corroer otros componentes de la batería. Así que los investigadores quisieron probar algo diferente. ¿Por qué no magnesio, que tiene mayor densidad que el litio y es mucho más abundante en la naturaleza?

Para desarrollar esta tecnología, los investigadores han seleccionado espinela de seleniuro de escandio de magnesio, que tiene movilidad de magnesio comparable a electrolitos de estado sólido de litio. Veamos cómo lo han logrado.

Papel del MIT y Argonne

El equipo de científicos contó con la ayuda de investigadores del MIT que ofrecieron recursos computacionales, y del Laboratorio Nacional Argonne que documentó la estructura y función del material espinela de seleniuro de escandio de magnesio.

Un químico investigador de Argonne, Baris Key, realizó pruebas de espectroscopía RMN (Resonancia Magnética Nuclear) para demostrar que los iones de magnesio pueden viajar a través del material tan rápido como se predijo en estudios teóricos. Los datos del experimento involucraban una estructura de material desconocida con propiedades complejas, lo que lo hacía bastante difícil de entender.

Junto con RMN de estado sólido y mediciones de sincrotrón, se aplicó caracterización electroquímica tradicional para hacer posibles estos hallazgos.

La RMN es bastante similar a la IRM (Imagen por Resonancia Magnética), usada frecuentemente en medicina para mostrar átomos de hidrógeno de agua en nervios, músculos y tejido graso humanos. La frecuencia de RMN puede sintonizarse para identificar otros elementos, como iones de magnesio o litio presentes en materiales de baterías.

Fuente: Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley

¿Por qué espinela de seleniuro de escandio de magnesio?

Las estructuras de espinela se seleccionaron basándose en parámetros de diseño. Estas estructuras tienen la mayor movilidad de magnesio con alto volumen por anión. Además, la relajometría RMN y la espectroscopía de impedancia confirman el rápido movimiento de iones de magnesio con una baja barrera de migración. Dado que la espectroscopía de impedancia muestra comportamiento de conducción mixta, se deben buscar planes para suprimir la conductividad electrónica para que el material se convierta en un electrolito de estado sólido de magnesio que pueda usarse prácticamente.

Los dos fenómenos fundamentales que podrían afectar significativamente la fabricación de electrolitos de estado sólido de magnesio: el papel de defectos puntuales, y la influencia de la inversión en la movilidad de magnesio y electroquímica, ambos artículos publicados en Chemistry of Materials.

Las observaciones sugieren que la conductividad electrónica es causada o bien por defectos intrínsecos o por fases secundarias no contenedoras de magnesio. Por tanto, entender la química de defectos en la espinela de seleniuro de escandio de magnesio es bastante importante para reducir la conductividad electrónica. Un enfoque alternativo para eludir la conducción electrónica es diseñar su superficie para que sea conductora de iones pero aislante de electrones. Puede lograrse bien mediante formación in situ de una interfaz delgada entre el electrolito de estado sólido del material y el electrodo, o recubrimiento ex situ de una capa delgada de material diferente.

Para asegurar un rendimiento decente de una batería de estado sólido, la capa de recubrimiento práctica necesita mostrar suficiente movilidad de magnesio. El equipo de investigación consideró la difusión de magnesio a través de productos notables de descomposición del electrolito contra material de magnesio, incluyendo seleniuro binario de magnesio, sulfuro de magnesio y óxido de magnesio.

Descubrieron altas barreras de difusión en óxido de magnesio y sulfuro de magnesio, mientras que el seleniuro de magnesio exhibe un valor más bajo. Por tanto, los electrolitos de estado sólido de magnesio potenciales (compuestos con sulfuros y óxidos) deben asegurar la generación de productos interfaciales con mejor movilidad de magnesio cuando se usan contra magnesio metálico, en comparación con calcogenuros binarios de magnesio.

Además de identificar la primera espinela con alta conductividad iónica de magnesio a temperatura ambiente, el trabajo de investigación también valida las reglas de diseño detectadas anteriormente para conductores sólidos multivalentes rápidos. Este es un paso alentador hacia el descubrimiento de más sólidos con rápida movilidad de magnesio, que podrían funcionar como materiales de electrolito o electrodo.

Artículo de investigación: Alta movilidad de magnesio en calcogenuros ternarios de espinela

Efectos y alcance futuro

Según un profesor asistente, Bo, en la Universidad Jiao Tong de Shanghai, la investigación tendría un efecto notable en el panorama energético. Aunque la tecnología está en su etapa inicial, en un futuro próximo, puede tener un impacto transformador en el almacenamiento de energía.

Leer: 30 interesantes experimentos científicos en Internet

Suena innovador y emocionante, pero el equipo dice que aún requiere mucho trabajo de pulido antes de que el material pueda usarse en una batería real. Actualmente, hay una pequeña cantidad de fuga de electrones que debe eliminarse, pero la movilidad iónica mejorada es alentadora para baterías comerciales más seguras.