Las baterías recargables basadas en magnesio, en lugar de litio, tienen el potencial de extender el alcance del vehículo eléctrico al acumular más energía en baterías más pequeñas. Pero los obstáculos químicos imprevistos han frenado el progreso científico.
Y los lugares donde el sólido se une con el líquido, donde los electrodos de la batería con carga opuesta interactúan con la mezcla química circundante conocida como el electrolito, son los puntos problemáticos conocidos.
Ahora, un equipo de investigación del Centro Conjunto de Investigación de Almacenamiento de Energía del Departamento de Energía de EE. UU., Dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab, descubrió un sorprendente conjunto de reacciones químicas que involucran magnesio que degradan el rendimiento de la batería incluso antes dela batería se puede cargar
Los hallazgos podrían ser relevantes para otros materiales de batería, y podrían dirigir el diseño de baterías de próxima generación hacia soluciones alternativas que eviten estas trampas recientemente identificadas.
El equipo utilizó experimentos de rayos X, modelos teóricos y simulaciones de supercomputadora para desarrollar una comprensión completa de la descomposición química de un electrolito líquido que ocurre dentro de decenas de nanómetros de una superficie de electrodo que degrada el rendimiento de la batería. Sus hallazgos se publican en línea en eldiario Química de materiales .
La batería que estaban probando presentaba magnesio metálico como su electrodo negativo el ánodo en contacto con un electrolito compuesto de un líquido un tipo de solvente conocido como diglyme y una sal disuelta, Mg TFSI 2.
Si bien se creía que la combinación de materiales que usaban era compatible y no reactiva en el estado de reposo de la batería, los experimentos en Advanced Light Source ALS de Berkeley Lab, una fuente de rayos X llamada sincrotrón, descubrieron que este no es el caso ydirigió el estudio en nuevas direcciones.
"La gente había pensado que los problemas con estos materiales ocurrían durante la carga de la batería, pero en cambio los experimentos indicaron que ya había algo de actividad", dijo David Prendergast, quien dirige la Instalación de Teoría de Materiales Nanoestructurados en la Fundición Molecular y sirvió como una solade los líderes del estudio.
"En ese momento se puso muy interesante", dijo. "¿Qué podría causar estas reacciones entre sustancias que se supone que son estables en estas condiciones?"
Los investigadores de Molecular Foundry desarrollaron simulaciones detalladas del punto donde se unen el electrodo y el electrolito, conocido como la interfaz, lo que indica que tampoco deberían producirse reacciones químicas espontáneas en condiciones ideales. Sin embargo, las simulaciones no explicaron todo el químicodetalles
"Antes de nuestras investigaciones", dijo Ethan Crumlin, un científico de ALS que coordinó los experimentos de rayos X y codirigió el estudio con Prendergast, "hubo sospechas sobre el comportamiento de estos materiales y las posibles conexiones a un bajo rendimiento de la batería,pero no habían sido confirmados en una batería que funciona ".
Baterías de iones de litio comercialmente populares, que alimentan muchos dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos móviles, computadoras portátiles y herramientas eléctricas y una flota cada vez mayor de vehículos eléctricos, iones de litio lanzadera, átomos de litio que se cargan al arrojar un electrón.- ida y vuelta entre los dos electrodos de la batería. Estos materiales de electrodo son porosos a escala atómica y alternativamente se cargan o se vacían de iones de litio a medida que la batería se carga o descarga.
En este tipo de batería, el electrodo negativo generalmente está compuesto de carbono, que tiene una capacidad más limitada para almacenar estos iones de litio que otros materiales.
Por lo tanto, aumentar la densidad del litio almacenado mediante el uso de otro material daría lugar a baterías más ligeras, más pequeñas y más potentes. El uso de metal de litio en el electrodo, por ejemplo, puede empacar más iones de litio en el mismo espacio, aunque es muysustancia reactiva que arde cuando se expone al aire y requiere más investigación sobre cómo empaquetarlo mejor y protegerlo para una estabilidad a largo plazo.
El metal de magnesio tiene una densidad de energía más alta que el metal de litio, lo que significa que potencialmente puede almacenar más energía en una batería del mismo tamaño si usa magnesio en lugar de litio.
El magnesio también es más estable que el litio. Su superficie forma una capa "oxidada" autoprotectora ya que reacciona con la humedad y el oxígeno en el aire. Pero dentro de una batería, se cree que esta capa oxidada reduce la eficiencia y acorta la vida útil de la batería,así que los investigadores están buscando formas de evitar su formación.
Para explorar la formación de esta capa con más detalle, el equipo empleó una técnica de rayos X única desarrollada recientemente en el ALS, llamada APXPS espectroscopía de fotoelectrones de rayos X a presión ambiental. Esta nueva técnica es sensible a la química que ocurre enLa interfaz de un sólido y un líquido, lo que la convierte en una herramienta ideal para explorar la química de la batería en la superficie del electrodo, donde se encuentra con el electrolito líquido.
Incluso antes de que se introdujera una corriente en la batería de prueba, los resultados de rayos X mostraron signos de descomposición química del electrolito, específicamente en la interfaz del electrodo de magnesio. Los resultados obligaron a los investigadores a repensar su imagen a escala molecular de estos materialesy cómo interactúan.
Lo que determinaron es que la capa superficial de óxido delgada y autoestabilizante que se forma sobre el magnesio tiene defectos e impurezas que provocan reacciones no deseadas.
"No es el metal en sí, ni sus óxidos, lo que es un problema", dijo Prendergast. "Es el hecho de que puedes tener imperfecciones en la superficie oxidada. Estas pequeñas disparidades se convierten en sitios para reacciones. Se alimenta de esta manera."
Otra ronda de simulaciones, que propuso posibles defectos en la superficie de magnesio oxidado, mostró que los defectos en la capa de superficie oxidada del ánodo pueden exponer iones de magnesio que luego actúan como trampas para las moléculas del electrolito.
Si los iones de hidróxido que flotan libremente, moléculas que contienen un solo átomo de oxígeno unido a un átomo de hidrógeno que se puede formar cuando pequeñas cantidades de agua reaccionan con el metal de magnesio, se encuentran con estas moléculas unidas a la superficie, reaccionarán
Esto desperdicia electrolitos, secando la batería con el tiempo. Y los productos de estas reacciones ensucian la superficie del ánodo, perjudicando la función de la batería.
Se necesitaron varias iteraciones de un lado a otro, entre los miembros experimentales y teóricos del equipo, para desarrollar un modelo consistente con las mediciones de rayos X. Los esfuerzos fueron respaldados por millones de horas de potencia informática en el Laboratorio de Energía NacionalCentro de Investigación de Computación Científica.
Los investigadores notaron la importancia de tener acceso a técnicas de rayos X, experiencia en nanoescala y recursos informáticos en el mismo laboratorio.
Los resultados también podrían ser relevantes para otros tipos de materiales de batería, incluidos los prototipos basados en litio o aluminio metálico. Prendergast dijo: "Este podría ser un fenómeno más general que define la estabilidad de los electrolitos".
Crumlin agregó: "Ya hemos comenzado a ejecutar nuevas simulaciones que podrían mostrarnos cómo modificar el electrolito para reducir la inestabilidad de estas reacciones". Asimismo, dijo, es posible adaptar la superficie del magnesio para reduciro eliminar parte de la reactividad química no deseada.
"En lugar de permitirle crear su propia interfaz, puede construirla usted mismo para controlar y estabilizar la química de la interfaz", agregó. "En este momento conduce a eventos incontrolables".
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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