Los científicos han descubierto un nuevo estado químico del elemento manganeso. Este estado químico, propuesto por primera vez hace unos 90 años, permite una batería de iones de sodio de alto rendimiento y bajo costo que podría almacenar y distribuir de manera rápida y eficiente la energía producida por la energía solarpaneles y turbinas eólicas a través de la red eléctrica.
Esta prueba directa de un estado de carga previamente no confirmado en un componente de batería que contiene manganeso podría inspirar nuevas vías de exploración para innovaciones de batería.
Los experimentos de rayos X en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab del Departamento de Energía de EE. UU. Fueron clave en el descubrimiento. Los resultados del estudio se publicaron el 28 de febrero en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
Los científicos del Berkeley Lab y la Universidad de Nueva York participaron en el estudio, que fue dirigido por investigadores de Natron Energy, anteriormente Alveo Energy, una compañía de tecnología de baterías con sede en Palo Alto, California.
La batería que Natron Energy suministró para el estudio presenta un diseño no convencional para un ánodo, que es uno de sus dos electrodos. En comparación con los diseños relativamente maduros de los ánodos utilizados en las baterías de iones de litio, los ánodos para las baterías de iones de sodio siguen siendo unenfoque activo de I + D.
El ánodo presentado en este último estudio está compuesto por una combinación de elementos, incluidos manganeso, carbono y nitrógeno, que es químicamente similar a la fórmula del pigmento de pintura que contiene hierro conocido como azul de Prusia.
"Típicamente, en las baterías de iones de litio y de iones de sodio, el ánodo se basa más a menudo en carbono", dijo Wanli Yang, científico del personal de Advanced Light Source de Berkeley Lab, la fuente de rayos X que se utilizaron en la bateríaexperimentos.
Pero en este caso, los dos electrodos de la batería utilizan el mismo tipo de materiales basados en elementos conocidos como "metales de transición" que son útiles en química porque pueden exhibir varios estados cargados. El otro electrodo, llamado cátodo, contiene cobre, nitrógeno, carbono y hierro.
"La parte muy interesante aquí es que ambos electrodos se basan en la química de los metales de transición en el mismo tipo de materiales", agregó, con hierro en el cátodo y una química especial de manganeso en el ánodo.
"Uno de los beneficios directos de utilizar dichos materiales para ambos electrodos en la batería es que ninguno de los dos electrodos limita fundamentalmente la capacidad de energía, la vida útil o el costo del dispositivo", dijo Colin Wessells, CEO de Natron Energy.La batería supera los objetivos de ciclo de vida y precio del Departamento de Energía para el almacenamiento de energía a escala de red, como informan los investigadores en su último estudio.
Wessells señaló que la batería es muy estable, sus materiales son abundantes, su costo total es competitivo con las baterías de plomo-ácido convencionales y tiene una huella ambiental menor que las baterías convencionales.
Se ha demostrado que la batería entrega hasta el 90 por ciento de su energía total en una descarga muy rápida de cinco minutos y retiene aproximadamente el 95 por ciento de su capacidad de descarga durante 1,000 ciclos. Ofrece una alternativa a la energía basada en la gravedadsistemas de almacenamiento para la red eléctrica, en los que el agua se bombea cuesta arriba y luego se descarga cuesta abajo a demanda para generar electricidad.
Sin embargo, la forma en que la batería alcanza su alto rendimiento había desconcertado a los investigadores.
Se especuló, desde un artículo de una revista en alemán de 1928, que el manganeso podría existir en un estado llamado "1-plus" o "monovalente", lo que significa que un átomo de manganeso en este estado pierde solo un soloelectrón. Esto es inusual, ya que se sabe que los átomos de manganeso suelen ceder dos o más electrones, o no electrones, en reacciones químicas, pero no solo uno.
Un estado químico tan novedoso permitiría un rango de voltaje útil para los ánodos de la batería. Pero no hubo ninguna medición que confirmara esta forma monovalente de manganeso.
Los investigadores de Natron Energy estudiaron los materiales de la batería en la Fundición Molecular de Berkeley Lab, un centro de nanociencia, y luego ofrecieron algunas células de batería de muestra para estudiar en el ALS.
La primera ronda de experimentos de rayos X en el ALS, que utilizó una técnica llamada espectroscopía de absorción de rayos X blanda, parecía mostrar principalmente la forma de manganeso de más de 2.
"Solo captamos una pista de otra forma en las pruebas iniciales, y tuvimos que depender en gran medida de la teoría para especular sobre un estado diferente", dijo Andrew Wray de la Universidad de Nueva York, quien realizó los cálculos teóricos.
Luego, el equipo recurrió a un sistema de nueva construcción en el ALS, denominado dispersión de rayos X inelástica resonante in situ, o iRIXS. La técnica, que proporciona una sonda de alta sensibilidad de la química interna de los materiales, mostró un contraste revelador enlos electrones durante los ciclos de carga y descarga de la batería.
"Un contraste muy claro aparece inmediatamente con RIXS", dijo Yang. "Más tarde nos dimos cuenta de que el manganeso 1-plus se comporta muy, muy de cerca al estado típico de 2-plus en otra espectroscopía convencional", razón por la cual había sidodifícil de detectar por tantas décadas.
Wray agregó: "El análisis de los resultados de RIXS no solo confirma el estado de manganeso 1-plus; también muestra que las circunstancias especiales que dan lugar a este estado hacen que sea más fácil que los electrones viajen en el material. Probablemente por esoun electrodo de batería inusual funciona tan bien "
Wessells señaló que los prototipos comerciales basados en la batería probada en el laboratorio ingresaron a las pruebas beta de los clientes a principios de este año. Además de las aplicaciones de red, Natron Energy está promoviendo la tecnología para la energía de emergencia de los centros de datos y para equipos pesados como carretillas elevadoras eléctricas, entre otras posibles aplicaciones.
Yang dijo que el rompecabezas químico resuelto en el último estudio podría inspirar otros tipos de I + D en nuevos tipos de electrodos de batería. "La operación de una batería podría impulsar la aparición de estados químicos atípicos que no existen en nuestro pensamiento convencional. Esta comprensión básicapodría desencadenar otros diseños novedosos y abrir nuestros ojos más allá de nuestra sabiduría convencional "en materiales de electrodos", dijo.
"Este estudio fue como un paquete perfecto, con contribuciones combinadas de la industria, el laboratorio nacional y la universidad", dijo Yang.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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