Baterías recargables a base de magnesio, en lugar de litio, tienen el potencial de extender la autonomía de los vehículos eléctricos al empaquetar más energía en baterías más pequeñas. Pero los obstáculos químicos imprevistos han frenado el progreso científico.

Y los lugares donde el sólido se encuentra con el líquido, donde los electrodos de la batería cargados de manera opuesta interactúan con la mezcla química circundante conocida como electrolito, son los puntos problemáticos conocidos.

Ahora, un equipo de investigación del Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía del Departamento de Energía de EE. UU. dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), ha descubierto un sorprendente conjunto de reacciones químicas relacionadas con el magnesio que degradan el rendimiento de la batería incluso antes de que se pueda cargar la batería.

Los hallazgos podrían ser relevantes para otros materiales de batería, y podría orientar el diseño de baterías de próxima generación hacia soluciones que eviten estos escollos recientemente identificados.

El equipo utilizó experimentos de rayos X, modelado teórico, y simulaciones de supercomputadoras para desarrollar una comprensión completa de la descomposición química de un electrolito líquido que ocurre dentro de decenas de nanómetros de la superficie de un electrodo que degrada el rendimiento de la batería. Sus hallazgos se publican en línea en la revista. Química de Materiales .

La batería que estaban probando presentaba magnesio metálico como su electrodo negativo (el ánodo) en contacto con un electrolito compuesto por 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, experimentos en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab, una fuente de rayos X llamada sincrotrón, descubrió que este no es el caso y llevó el estudio en nuevas direcciones.

"La gente pensaba que los problemas con estos materiales se producían 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 se desempeñó como uno de 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 el electrodo y el electrolito se encuentran, conocida como la interfaz, lo que indica que no deben producirse reacciones químicas espontáneas en condiciones ideales, cualquiera. Las simulaciones, aunque, no tuvo en cuenta todos los detalles químicos.

"Antes de nuestras investigaciones, "dijo Ethan Crumlin, un científico de ELA que coordinó los experimentos de rayos X y codirigió el estudio con Prendergast, "había sospechas sobre el comportamiento de estos materiales y posibles conexiones con un rendimiento deficiente de la batería, pero no se han confirmado en una batería en funcionamiento ".

Baterías de iones de litio comercialmente populares, que alimentan muchos dispositivos electrónicos portátiles (como teléfonos móviles, laptops, y herramientas eléctricas) y una creciente flota de vehículos eléctricos, iones lanzadera de litio (átomos de litio que se cargan al desprender un electrón) de ida y vuelta entre los dos electrodos de la batería. Estos materiales de electrodos son porosos a escala atómica y alternativamente se cargan o se vacían de iones de litio a medida que se carga o descarga la batería.

En este tipo de batería, el electrodo negativo suele estar 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 lo haría más liviano, menor, baterías más potentes. Usando metal de litio en el electrodo, por ejemplo, puede empaquetar más iones de litio en el mismo espacio, aunque es una sustancia altamente reactiva que arde cuando se expone al aire, y requiere más investigación sobre cómo empaquetarlo y protegerlo mejor para una estabilidad a largo plazo.

El metal magnesio tiene una densidad de energía más alta que el metal 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 al reaccionar con la humedad y el oxígeno del aire. Pero dentro de una batería, Se cree que esta capa oxidada reduce la eficiencia y acorta la vida útil de la batería. por lo que los investigadores buscan 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 la ALS, llamado APXPS (espectroscopia de fotoelectrones de rayos X a presión ambiental). Esta nueva técnica es sensible a la química que ocurre en la 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 alimentara una corriente a la batería de prueba, los resultados de la radiografía mostraron signos de descomposición química del electrolito, específicamente en la interfaz del electrodo de magnesio. Los hallazgos obligaron a los investigadores a repensar su imagen a escala molecular de estos materiales y cómo interactúan.

Lo que determinaron es que la autoestabilización, La fina capa superficial de óxido que se forma sobre el magnesio tiene defectos e impurezas que provocan reacciones no deseadas.

"No es el metal en sí, o sus óxidos, que son un problema, "Dijo Prendergast." Es el hecho de que puede haber imperfecciones en la superficie oxidada. Estas pequeñas disparidades se convierten en lugares de reacciones. Se alimenta a sí mismo de esta manera ".

Una nueva ronda de simulaciones, que proponía posibles defectos en la superficie de magnesio oxidado, demostró que los defectos en la capa superficial 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 puede formarse a medida que reaccionan cantidades mínimas de agua con el metal magnesio) se encuentran con estas moléculas unidas a la superficie, ellos reaccionarán.

Esto desperdicia electrolito, secando la batería con el tiempo. Y los productos de estas reacciones ensucian la superficie del ánodo, perjudicando el funcionamiento de la batería.

Fueron necesarias varias iteraciones de ida y vuelta, entre los miembros experimentales y teóricos del equipo, desarrollar un modelo consistente con las mediciones de rayos X. Los esfuerzos fueron respaldados por millones de horas de potencia informática en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética del Laboratorio.

Los investigadores señalaron la importancia de tener acceso a las técnicas de rayos X, experiencia en nanoescala, y recursos informáticos en el mismo laboratorio.

Los resultados podrían ser relevantes para otros tipos de materiales de batería, también, 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 agregado, "Ya hemos comenzado a ejecutar nuevas simulaciones que podrían mostrarnos cómo modificar el electrolito para reducir la inestabilidad de estas reacciones". Igualmente, él dijo, puede ser posible adaptar la superficie del magnesio para reducir o eliminar parte de la reactividad química no deseada.

"En lugar de permitirle crear su propia interfaz, puede construirlo usted mismo para controlar y estabilizar la química de la interfaz, ", agregó." En este momento conduce a eventos incontrolables ".