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

Todavía es bastante pronto para prometer baterías de estado sólido más densas en energía y que no exploten. Sin embargo, los investigadores del Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía han desarrollado un conductor de estado sólido de iones de magnesio que contribuirá en gran medida a crear baterías de magnesio no inflamables con más 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 un lado a otro entre el ánodo y el cátodo, lo que las convierte en un 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 Galaxy y iPhone estallando en pedazos.

Varias empresas, incluidas Toyota y KIT, se han centrado en crear un mejor electrolito líquido, pero tienden a corroer los demás componentes de la batería. Entonces, los investigadores querían probar algo diferente. ¿Por qué no el magnesio, que tiene una mayor densidad en comparación con el litio y es mucho más abundante en la naturaleza?

Para desarrollar esta tecnología, los investigadores han seleccionado espinela de seleniuro de magnesio y escandio , que tiene una movilidad del magnesio comparable a la de los electrolitos de litio en estado sólido. Descubramos cómo lo han hecho posible.

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 de espinela de seleniuro de magnesio y escandio.

Un químico investigador de Argonne, Baris Key, llevó a cabo pruebas de espectroscopia de RMN (resonancia magnética nuclear) para demostrar que los iones de magnesio pueden viajar a través del material tan rápido como se predice en los estudios teóricos. Los datos del experimento involucraban una estructura de material desconocida con propiedades complejas, lo que hacía que fuera bastante difícil de entender.

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

La RMN es bastante similar a la resonancia magnética (imagen por resonancia magnética), que se utiliza con frecuencia en medicina para mostrar átomos de hidrógeno del agua en los nervios, músculos y tejido graso humanos. La frecuencia de RMN se puede sintonizar para identificar otros elementos, como los iones de magnesio o litio presentes en los materiales de las baterías.

Fuente: Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley

¿Por qué espinela de seleniuro de magnesio y escandio?

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

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

Las observaciones sugieren que la conductividad electrónica es causada por defectos intrínsecos o por fases secundarias que no contienen magnesio. Por lo tanto, comprender la química de los defectos en la espinela de seleniuro de magnesio y escandio es muy 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 mediante la formación in situ de una interfaz delgada entre el electrolito de estado sólido del material y el electrodo, o mediante el recubrimiento ex situ de una capa delgada de un material diferente.

Para garantizar un rendimiento decente de una batería de estado sólido, la práctica capa de recubrimiento debe mostrar suficiente movilidad de magnesio. El equipo de investigación consideró la difusión de magnesio a través de productos notables de descomposición de electrolitos contra el material de magnesio, incluido el binario seleniuro de magnesio, sulfuro de magnesio y óxido de magnesio.

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

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

Trabajo de investigación: Alta movilidad del magnesio en calcogenuros de espinela ternaria

Efectos y alcance futuro

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

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Suena innovador y emocionante, pero el equipo dice que todavía se necesita mucho trabajo de equipamiento antes de que el material pueda usarse en una batería real. En la actualidad, hay una pequeña fuga de electrones que debe eliminarse, pero la movilidad iónica mejorada es alentadora para baterías comerciales más seguras.