Las baterías de magnesio prometen alimentar la vida moderna de forma segura, a diferencia de las baterías de iones de litio tradicionales, no son inflamables ni están sujetos a explosión, pero su capacidad para almacenar energía ha sido limitada.

Los investigadores informaron el 24 de agosto en la revista Comunicaciones de la naturaleza el descubrimiento de un nuevo diseño para el cátodo de la batería, aumentando drásticamente la capacidad de almacenamiento y cambiando la sabiduría convencional de que el enlace magnesio-cloruro debe romperse antes de insertar magnesio en el anfitrión.

"Estamos combinando un cátodo nanoestructurado y una nueva comprensión del electrolito de magnesio, "dijo Yan Yao, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Houston y autor principal del artículo. "Eso es nuevo."

El trabajo fue concebido por primera vez por Yao y el becario postdoctoral Hyun Deog Yoo en 2014; el proyecto duró varios años e involucró a científicos de tres universidades y tres laboratorios nacionales, trabajando tanto experimental como teóricamente.

"Se sabe que el ion magnesio es difícil de insertar en un host, "dijo Yoo, primer autor del artículo. "En primer lugar, es muy difícil romper los enlaces de cloruro de magnesio. Más que eso, Los iones de magnesio producidos de esa manera se mueven extremadamente lentamente en el anfitrión. Eso reduce por completo la eficiencia de la batería ".

La nueva batería almacena energía insertando monocloruro de magnesio en un host, como el disulfuro de titanio. Al retener el enlace magnesio-cloruro, Yao dijo, el cátodo demostró una difusión mucho más rápida que las versiones tradicionales de magnesio.

Los investigadores informan que la nueva batería tiene una capacidad de almacenamiento de 400 mAh / g, en comparación con los 100 mAh / g de las baterías de magnesio anteriores. Las baterías comerciales de iones de litio tienen una capacidad de cátodo de aproximadamente 200 mAh / g, dijo Yao, quien también es investigador principal del Centro de Superconductividad de Texas en UH.

El voltaje de la batería nueva permanece bajo en aproximadamente un voltio. Eso se compara con los tres o cuatro voltios de las baterías de litio.

El alto voltaje junto con su alta densidad energética, ha convertido las baterías de iones de litio en el estándar. Pero el litio es caro y puede desarrollar brechas en su estructura interna, una condición conocida como crecimientos dendríticos, lo que puede hacer que las baterías se incendien. Como recurso abundante en la tierra, el magnesio es más barato y no forma dendritas. Hasta ahora, sin embargo, se ha visto frenado por la necesidad de un mejor cátodo, el electrodo del que fluye la corriente, y electrolitos más eficientes, el medio a través del cual fluye la carga iónica entre el cátodo y el ánodo.

Este trabajo sugiere una solución.

La clave, Yoo dijo, consiste en expandir el disulfuro de titanio para permitir la inserción de cloruro de magnesio, un proceso de cuatro pasos llamado intercalación, en lugar de romper los enlaces de cloruro de magnesio e insertar el magnesio solo. La retención del enlace magnesio-cloruro duplicó la carga que el cátodo podría almacenar.

Las moléculas de monocloruro de magnesio son demasiado grandes para insertarse en el disulfuro de titanio usando métodos convencionales. Sobre la base de su trabajo anterior, los investigadores crearon una nanoestructura abierta al expandir los espacios en el disulfuro de titanio en un 300 por ciento, utilizando "pilares" orgánicos.

La abertura aún era pequeña, aumentó de 0,57 nanómetros a 1,8 nanómetros, pero Yao dijo que eso permitió que se insertara el cloruro de magnesio.

"Modelado teórico combinado, análisis espectroscópico, y el estudio electroquímico revelan una cinética de difusión rápida de los cationes de monocloruro de magnesio sin escisión del enlace de cloruro de magnesio, "escribieron los investigadores." ... La gran capacidad acompaña a un excelente ritmo y rendimiento cíclico incluso a temperatura ambiente, abriendo posibilidades para una variedad de hosts de intercalación efectivos para baterías de iones multivalentes ".

"Esperamos que esta sea una estrategia general, "Yoo dijo." La inserción de varios iones poliatómicos en hosts de mayor voltaje, eventualmente nuestro objetivo es crear baterías de mayor energía a un precio más bajo, especialmente para vehículos eléctricos ".