Los científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía han descubierto un nuevo enfoque para desarrollar una batería de magnesio-metal no acuosa recargable.

Un artículo de prueba de concepto publicado en Química de la naturaleza detalló cómo los científicos fueron pioneros en un método para permitir la química reversible del metal magnesio en los electrolitos no corrosivos a base de carbonato y probaron el concepto en una celda prototipo. La tecnología posee ventajas potenciales sobre las baterías de iones de litio, en particular, mayor densidad de energía, mayor estabilidad, y menor costo.

Investigadores de NREL (desde la izquierda) Seoung-Bum Son, Steve Harvey, Andrew Norman y Chunmei Ban son coautores de la Química de la naturaleza papel blanco, "Una interfase artificial permite la química de magnesio reversible en electrolitos de carbonato" trabajando con una espectrometría de masas de iones secundarios de tiempo de vuelo. El dispositivo les permite investigar la degradación del material y los mecanismos de falla a escala micro a nano. (Foto de Dennis Schroeder / NREL)

"Siendo científicos, siempre estamos pensando:¿qué sigue? ", dijo Chunmei Ban, un científico en el departamento de Ciencia de Materiales de NREL y autor correspondiente del artículo, "Una interfase artificial permite la química del magnesio reversible en los electrolitos de carbonato". La tecnología de batería de iones de litio dominante se está acercando a la cantidad máxima de energía que se puede almacenar por volumen, ella dijo, por lo que "existe una necesidad urgente de explorar nuevas químicas de baterías" que puedan proporcionar más energía a un costo menor.

"Este hallazgo proporcionará una nueva vía para el diseño de baterías de magnesio, "dijo Seoung-Bum Son, ex postdoctorado de NREL y científico de NREL y primer autor del artículo. Otros coautores de NREL son Steve Harvey, Adam Stokes, y Andrew Norman.

Una reacción electroquímica alimenta una batería cuando los iones fluyen a través de un líquido (electrolito) desde el electrodo negativo (cátodo) al electrodo positivo (ánodo). Para baterías que utilizan litio, el electrolito es una solución salina que contiene iones de litio. Lo que también es importante Esta reacción química debe ser reversible para que la batería se pueda recargar.

En teoría, las baterías de magnesio (Mg) contienen casi el doble de energía por volumen que las baterías de iones de litio. Pero investigaciones anteriores encontraron un obstáculo:las reacciones químicas del electrolito de carbonato convencional crearon una barrera en la superficie del magnesio que impedía que la batería se recargara. Los iones de magnesio podrían fluir en dirección inversa a través de un electrolito líquido altamente corrosivo, pero eso excluyó la posibilidad de una batería de magnesio de alto voltaje exitosa.

Al tratar de superar estos obstáculos, los investigadores desarrollaron una interfase artificial de electrolitos sólidos a partir de poliacrilonitrilo y sal de iones de magnesio que protegía la superficie del ánodo de magnesio. Este ánodo protegido demostró un rendimiento notablemente mejorado.

Las ilustraciones, una al lado de la otra, muestran cómo los científicos de NREL resolvieron un problema con la fabricación de una batería de magnesio recargable.

Los científicos ensamblaron celdas prototipo para probar la robustez de la interfase artificial y encontraron resultados prometedores:la celda con el ánodo protegido permitió la química reversible del Mg en el electrolito de carbonato, que nunca se ha demostrado antes. La celda con este ánodo de Mg protegido también entregó más energía que el prototipo sin la protección y continuó haciéndolo durante ciclos repetidos. Es más, el grupo ha demostrado la capacidad de recarga de la batería de magnesio-metal, lo que proporciona una vía sin precedentes para abordar simultáneamente la incompatibilidad ánodo / electrolito y las limitaciones de los iones que salen del cátodo.

Además de estar más disponible que el litio, el magnesio tiene otras ventajas potenciales sobre la tecnología de batería más establecida. Primero, el magnesio libera dos electrones al del litio, lo que le da el potencial de entregar casi el doble de energía que el litio. Y segundo, las baterías de magnesio-metal no experimentan el crecimiento de dendritas, que son cristales que pueden provocar cortocircuitos y consecuentemente un sobrecalentamiento peligroso e incluso un incendio, haciendo que las baterías potenciales de magnesio sean mucho más seguras que las baterías de iones de litio.