Muévete, iones de litio; ahora, hay una mejor batería en el horizonte.
Un equipo de científicos de varias instituciones dirigido por el químico de la Universidad de Texas A&M Sarbajit Banerjee ha descubierto un excepcional material de cátodo de batería de óxido de metal y magnesio, acercando a los investigadores un paso más cerca de entregar baterías que prometen una mayor densidad de almacenamiento de energía además de los avances transformadores enseguridad, costo y rendimiento en comparación con sus homólogos ubicuos de iones de litio Li-ion.
"El impulso mundial para avanzar en las energías renovables está limitado por la disponibilidad de vectores de almacenamiento de energía", dice Banerjee en el documento del equipo, publicado hoy 1 de febrero en la revista Chem , una nueva revista centrada en la química de Cell Press. "Actualmente, la tecnología de iones de litio domina; sin embargo, la seguridad y el suministro a largo plazo de litio siguen siendo preocupaciones serias. Por el contrario, el magnesio es mucho más abundante que el litio, tiene unpunto de fusión más alto, forma superficies lisas cuando se recarga, y tiene el potencial de proporcionar un aumento de más de cinco veces en la densidad de energía si se puede identificar un cátodo apropiado ".
Irónicamente, la solución futurista del equipo depende de una forma rediseñada de un viejo material de cátodo de iones de litio, pentóxido de vanadio, que demostraron que es capaz de insertar reversiblemente iones de magnesio.
"Básicamente hemos reconfigurado los átomos para proporcionar una ruta diferente para que los iones de magnesio viajen, obteniendo así un material de cátodo viable en el que puedan insertarse y extraerse fácilmente durante la descarga y carga de la batería", dice Banerjee.
Este raro fenómeno se logra al limitar la ubicación de los iones de magnesio a posiciones atómicas relativamente incómodas por diseño, en función de la forma en que se fabrica el pentóxido de vanadio, una propiedad conocida como metaestabilidad. Esta metaestabilidad ayuda a evitar que los iones de magnesio queden atrapadosdentro del material y promueve la recolección completa de su capacidad de almacenamiento de carga con una degradación insignificante del material después de muchos ciclos de carga y recarga.
Los pormenores de la intercalación
Banerjee, profesor de ciencias de Davidson en el Departamento de Química de Texas A&M y miembro de la facultad afiliado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, ha estado trabajando durante varios años para comprender mejor la intercalación de iones, el proceso crítico por el cualiones como el litio y el magnesio entran y salen de otros materiales dentro de las baterías de intercalación.
Utilizando uno de los microscopios de rayos X blandos más potentes del mundo: el microscopio de rayos X de transmisión de escaneo STXM y las líneas de emisión de rayos X en la fuente de luz canadiense junto con una de las aberraciones de mayor resolución del mundo.Los microscopios electrónicos de transmisión corregida alojados en la Universidad de Illinois en Chicago UIC, Banerjee y colaboradores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, el UIC y el Laboratorio Nacional Argonne pudieron observar las propiedades electrónicas únicas de su novedoso pentóxido de vanadio y probar directamente el magnesio.intercalación de iones en el material. Colectivamente, el equipo aplicó décadas de experiencia combinada en ciencia de materiales para explicar las razones fundamentales por las que este nuevo tipo de pentóxido de vanadio es superior a la versión anterior, así como a las baterías de iones de litio.
Las computadoras portátiles y los teléfonos celulares son dos ejemplos de las muchas tecnologías habilitadas por el rápido desarrollo de la batería de iones de litio, que revolucionó la capacidad de almacenamiento de energía y la capacidad de recarga en comparación con sus predecesores de plomo-ácido e hidruro de níquel-metal. Sin embargo, dada laEl uso generalizado de litio no solo en dispositivos electrónicos portátiles, sino cada vez más en las baterías mucho más grandes requeridas para vehículos eléctricos y almacenamiento de energía de la red, se espera que el litio sea cada vez más escaso a largo plazo. Además, las baterías de iones de litio son un riesgojuego, como lo destacan los recientes informes ampliamente publicitados detallados en Scientific American, Reuters y Forbes, por ejemplo, en el que los dispositivos alimentados con iones de litio se incendiaron o explotaron como resultado de la inflamabilidad y reactividad fundamentales del litio.
"Además de ser mucho más seguro para las aplicaciones de consumo, la tecnología de iones de magnesio es atractiva fundamentalmente porque cada ion de magnesio da dos electrones por ion, el doble de la carga, mientras que cada ion de litio da solo uno", dice el graduado de química de Texas A&MJustin Andrews, estudiante y miembro de la investigación de tecnología espacial de la NASA, primer autor del artículo del equipo. "Esto significa que, aparte de todas las demás consideraciones, si puede almacenar tanto magnesio en un material como puede almacenar litio, inmediatamente casi duplica la capacidad dela batería."
Duplica la capacidad, duplica el problema
Pero a pesar de todas sus ventajas percibidas, las baterías de magnesio han demostrado ser demasiado buenas para ser verdad desde que se propusieron por primera vez en la década de 1990 y esencialmente marginadas por una variedad de problemas; principalmente, la falta de un cátodo adecuado o un electrodo positivo; de lo contrarioconocido como la parte de una batería donde los iones de magnesio entran durante la descarga de la batería para alimentar un dispositivo electrónico y luego salen durante la carga.
"De hecho, lo más emocionante de los iones de magnesio, es decir, que almacenan el doble de carga en aplicaciones de batería, también forma la base para el mayor desafío", dice el químico colaborador de UIC Jordi Cabana. "La mayor carga delos iones de magnesio los hacen 'pegarse' mucho más fuertemente con los átomos circundantes "
En otras palabras, dice Banerjee, los iones de magnesio se desplazan a medida que atraviesan los caminos dentro del material del cátodo. Su movimiento lento es lo que hace que sea tan difícil fabricar baterías de magnesio viables.
"En muchas estructuras, algunas de estas interacciones son muy favorables, lo que significa que el magnesio está muy feliz de sentarse y quedarse un tiempo en esos sitios específicos", explica Andrews. "En nuestro material, el magnesio está 'frustrado' ya quese mueve a través del enrejado, porque se encuentra con muchos entornos menos que óptimos. En este sentido, es más que feliz de seguir avanzando, lo que lleva a una mejora en la capacidad y la difusión ".
La investigación financiada por la National Science Foundation del equipo presenta a dos estudiantes de posgrado actuales y anteriores de Texas A&M, Abhishek Parija y Peter M. Marley, respectivamente. David Prendergast, Director de la Instalación en la Fundición Molecular de Berkeley Lab, un usuario nacional del Departamento de Energía de los EE. UU.La instalación de Nanoscale Science Research ayudó al equipo de Texas A&M a diseñar e interpretar sus cálculos, que Fakra verificó experimentalmente en parte utilizando la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab junto con datos estructurales recopilados en la fuente de fotones avanzados de Argonne National Lab. Imágenes de resolución atómica de la nuevaSe recolectó una forma de pentóxido de vanadio en colaboración con el físico de la UIC Robert F. Klie y el estudiante graduado de física Arijita Mukherjee y muestran evidencia directa de magnesio intercalado dentro del material. Las mediciones de batería que muestran la reversibilidad y confirman la robustez del material del cátodo completan la historia yrealizado en colaboración con Cabana yex miembro del grupo Cabana Hyun Deog Yoo.
La investigación financiada por la National Science Foundation del equipo presenta a dos estudiantes de posgrado actuales y anteriores de Texas A&M, Abhishek Parija y Peter M. Marley, respectivamente. David Prendergast, Director de la Instalación en la Fundición Molecular de Berkeley Lab, un usuario nacional del Departamento de Energía de los EE. UU.La instalación de Nanoscale Science Research ayudó al equipo de Texas A&M a diseñar e interpretar sus cálculos, que Fakra verificó experimentalmente en parte utilizando la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab junto con datos estructurales recopilados en la fuente de fotones avanzados de Argonne National Lab. Imágenes de resolución atómica de la nuevaSe recolectó una forma de pentóxido de vanadio en colaboración con el físico de la UIC Robert F. Klie y el estudiante graduado de física Arijita Mukherjee y muestran evidencia directa de magnesio intercalado dentro del material. Las mediciones de batería que muestran la reversibilidad y confirman la robustez del material del cátodo completan la historia yrealizado en colaboración con Cabana yex miembro del grupo Cabana Hyun Deog Yoo.
"En el papel, las baterías de magnesio son muy deseables porque prometen una mayor densidad de energía además de la capacidad de resolver varios de los problemas clave que los investigadores, y desafortunadamente los consumidores, están descubriendo con baterías de iones de litio, incluido el costo, la seguridad,y el rendimiento en los niveles más fundamentales ", dice Andrews." Pero el cambio de las tecnologías de iones de litio a iones de magnesio no es sencillo, y los muchos problemas encontrados al diseñar cátodos de iones de magnesio han obstaculizado el desarrollo de estas baterías más sostenibles y seguras"
Trabajando hacia un futuro energético más seguro
Andrews dice que la investigación del equipo marca un punto de inflexión importante en el campo porque representa un avance significativo hacia la solución del problema del cátodo, al tiempo que destaca las ventajas inherentes de usar materiales mucho más imaginativos y metaestables como esta nueva forma de pentóxido de vanadio. Pero inclusoadmite que hay mucho más trabajo por hacer antes de que esta tendencia particular de los 90 vuelva a estar de moda.
"Si bien esta investigación ha proporcionado una gran cantidad de información, todavía hay varios otros problemas fundamentales que superar antes de que las baterías de magnesio se conviertan en realidad", agrega Andrews. "Sin embargo, este trabajo acerca las baterías de magnesio un paso más cerca de la realidad:, una realidad en la que las baterías serían menos costosas, más livianas y más seguras para permitir una adopción más fácil de los formatos de área grande necesarios para vehículos eléctricos y para almacenar energía generada por fuentes solares y eólicas ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas A&M . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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