El electrolito, que transporta carga de un lado a otro entre el cátodo y el ánodo de la batería, es un líquido en todas las baterías comerciales, lo que las hace potencialmente inflamables, especialmente en las baterías de iones de litio. Un conductor de estado sólido, que tiene el potencial deconvertirse en un electrolito, sería mucho más resistente al fuego.
Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE Laboratorio Berkeley y el Laboratorio Nacional Argonne estaban trabajando en una batería de magnesio, que ofrece una mayor densidad de energía que el litio, pero se vieron obstaculizados por la escasez de buenas opciones para un electrolito líquido, la mayoría de los cuales tiendenser corrosivo contra otras partes de la batería. "El magnesio es una tecnología tan nueva que no tiene buenos electrolitos líquidos", dijo Gerbrand Ceder, científico senior de la facultad de Berkeley Lab. "Pensamos, ¿por qué no saltar y hacer unelectrolito de estado sólido? "
El material que se les ocurrió, la espinela de seleniuro de magnesio y escandio, tiene una movilidad de magnesio comparable a los electrolitos de estado sólido para baterías de litio. Sus hallazgos se informaron en Comunicaciones de la naturaleza en un documento titulado, "Alta movilidad de magnesio en calcogenuros de espinela ternario". JCESR, DOE Innovation Hub, patrocinó el estudio, y los autores principales son Pieremanuele Canepa y Shou-Hang Bo, becarios posdoctorales en Berkeley Lab.
"Con la ayuda de un esfuerzo concertado que reúne metodologías de ciencia de materiales computacionales, síntesis y una variedad de técnicas de caracterización, hemos identificado una nueva clase de conductores sólidos que pueden transportar iones de magnesio a una velocidad sin precedentes", dijo Canepa.
Colaboración con MIT y Argonne
El equipo de investigación también incluyó científicos del MIT, que proporcionaron recursos computacionales, y Argonne, que proporcionó la confirmación experimental clave del material de espinela de selenuro de magnesio y escandio para documentar su estructura y función.
El coautor Baris Key, químico investigador de Argonne, realizó experimentos de espectroscopía de resonancia magnética nuclear RMN. Estas pruebas fueron uno de los primeros pasos para probar experimentalmente que los iones de magnesio podrían moverse a través del material tan rápido como los estudios teóricos habían predicho.
"Fue crucial confirmar el rápido salto de magnesio experimentalmente. No es frecuente que la teoría y el experimento coincidan estrechamente entre sí", dijo Key. "Los experimentos de RMN en estado sólido para esta química fueron muy desafiantes y no seríanposible sin recursos dedicados y una fuente de financiación como JCESR. Como hemos demostrado en este estudio, una comprensión profunda de la estructura de corto y largo alcance y la dinámica de iones será la clave para la investigación de la batería de iones de magnesio ".
La RMN es similar a la resonancia magnética MRI, que se usa habitualmente en entornos médicos, donde muestra átomos de hidrógeno de agua en los músculos humanos, nervios, tejido graso y otras sustancias biológicas. Pero los investigadores también pueden ajustar la frecuencia de RMN adetectar otros elementos, incluidos los iones de litio o magnesio que se encuentran en los materiales de la batería.
Los datos de RMN del material de seleniuro de magnesio y escandio, sin embargo, involucraron material de estructura desconocida con propiedades complejas, lo que los hace difíciles de interpretar.
Canepa señaló los desafíos de probar materiales que son tan nuevos. "Los protocolos son básicamente inexistentes", dijo. "Estos hallazgos solo fueron posibles combinando un enfoque de múltiples técnicas RMN de estado sólido y mediciones de sincrotrón en Argonneademás de la caracterización electroquímica convencional ".
Haciendo lo imposible
El equipo planea hacer más trabajo para usar el conductor en una batería. "Esto probablemente tiene un largo camino por recorrer antes de que pueda hacer una batería con él, pero es la primera demostración con la que realmente puede hacer materiales de estado sólidobuena movilidad de magnesio a través de él ", dijo Ceder." Se cree que el magnesio se mueve lentamente en la mayoría de los sólidos, por lo que nadie pensó que esto sería posible ".
Además, la investigación identificó dos fenómenos fundamentales relacionados que podrían afectar significativamente el desarrollo de electrolitos sólidos de magnesio en el futuro cercano, a saber, el papel de los defectos anti-sitio y la interacción de la conductividad electrónica y de magnesio, ambos publicados recientemente en Química de materiales .
Bo, ahora profesor asistente en la Universidad Jiao Tong de Shanghái, dijo que el descubrimiento podría tener un efecto dramático en el panorama energético. "Este trabajo reunió a un gran equipo de científicos de varias disciplinas científicas, y dio el primer golpe al formidable"El desafío de construir una batería de magnesio de estado sólido", dijo. "Aunque actualmente está en su infancia, esta tecnología emergente puede tener un impacto transformador en el almacenamiento de energía en el futuro cercano".
Gopalakrishnan Sai Gautam, otro coautor que estaba afiliado en Berkeley Lab y ahora está en Princeton, dijo que el enfoque del equipo hecho posible por un centro DOE como JCESR fue crítico ". El trabajo muestra la importancia de usar una variedad deTécnicas teóricas y experimentales en un entorno altamente colaborativo para hacer importantes descubrimientos fundamentales ", dijo.
Ceder estaba entusiasmado con las perspectivas del hallazgo, pero advirtió que aún queda trabajo por hacer. "Hay enormes esfuerzos en la industria para fabricar una batería de estado sólido. Es el Santo Grial porque tendrías la batería más segura. Perotodavía tiene trabajo por hacer. Este material muestra una pequeña cantidad de fuga de electrones, que debe eliminarse antes de poder usarse en una batería ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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