Un equipo de científicos del Departamento de Energía (DOE) del Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía (JCESR) ha descubierto el conductor de estado sólido de iones de magnesio más rápido, un paso importante hacia la fabricación de baterías de iones de magnesio de estado sólido que sean a la vez densas en energía y seguras.

El electrolito que lleva la 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 los hace potencialmente inflamables, especialmente en baterías de iones de litio. Un conductor de estado sólido, que tiene el potencial de convertirse en un electrolito, sería mucho más resistente al fuego.

Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE (Laboratorio de Berkeley) y del 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 tienden a ser corrosivos contra otras partes de la batería. "El magnesio es una tecnología tan nueva, no tiene buenos electrolitos líquidos, "dijo Gerbrand Ceder, un científico principal de la facultad de Berkeley Lab. "Pensamos, ¿por qué no dar un salto y hacer un electrolito de estado sólido? "

El material que se les ocurrió, magnesio escandio seleniuro espinela, tiene una movilidad de magnesio comparable a los electrolitos de estado sólido para baterías de litio. Sus hallazgos fueron reportados en Comunicaciones de la naturaleza en un papel titulado, "Alta movilidad de magnesio en calcogenuros de espinela ternaria". JCESR, un centro de innovación DOE, patrocinó el estudio, y los autores principales son Pieremanuele Canepa y Shou-Hang Bo, becarios postdoctorales 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 a científicos del MIT, quien proporcionó recursos computacionales, y Argonne, quien proporcionó una confirmación experimental clave del material de espinela seleniuro de escandio de magnesio para documentar su estructura y función.

Coautor Baris Key, químico investigador en Argonne, llevó a cabo experimentos de espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN). Estas pruebas fueron uno de los primeros pasos para demostrar experimentalmente que los iones de magnesio podían moverse a través del material tan rápidamente como habían predicho los estudios teóricos.

“Fue crucial confirmar experimentalmente el rápido salto de magnesio. 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 serían posibles sin recursos dedicados y una fuente de financiamiento como JCESR. Como mostramos en este estudio, un conocimiento profundo de la estructura de corto y largo alcance y la dinámica de iones será la clave para la investigación de baterías de iones de magnesio ".

La RMN es similar a la resonancia magnética (MRI), que se utiliza 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 sintonizar la frecuencia de RMN para detectar otros elementos, incluidos los iones de litio o magnesio que se encuentran en los materiales de las baterías.

Los datos de RMN del material de seleniuro de escandio de magnesio, sin embargo, material involucrado de estructura desconocida con propiedades complejas, haciéndolos 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 mediante la combinación de un enfoque de múltiples técnicas (RMN de estado sólido y mediciones de sincrotrón en Argonne) además de la caracterización electroquímica convencional ".

Haciendo lo imposible

El equipo planea trabajar más para usar el conductor en una batería. "Esto probablemente tiene un largo camino por recorrer antes de que puedas hacer una batería con él, pero es la primera demostración de que puede hacer materiales de estado sólido con muy buena movilidad de magnesio a través de ellos, ", Dijo Ceder." Se cree que el magnesio se mueve lentamente en la mayoría de los sólidos, así que nadie pensó que esto sería posible ".

Adicionalmente, la investigación identificó dos fenómenos fundamentales relacionados que podrían afectar significativamente el desarrollo de electrolitos sólidos de magnesio en un futuro próximo, a saber, el papel de los defectos anti-sitio y la interacción de la conductividad electrónica y de magnesio, ambos publicados recientemente en Chemistry of Materials.

Bo, ahora profesor asistente en la Universidad Jiao Tong de Shanghai, dijo que el descubrimiento podría tener un efecto dramático en el panorama energético. "Este trabajo reunió a un gran equipo de científicos de diversas disciplinas científicas, y dio la primera puñalada al formidable 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 un futuro próximo ".

Gopalakrishnan Sai Gautam, otro coautor que era afiliado en Berkeley Lab y ahora está en Princeton, dijo que el enfoque de equipo hecho posible por un centro DOE como JCESR era fundamental. "El trabajo muestra la importancia de utilizar una variedad de técnicas teóricas y experimentales en un entorno altamente colaborativo para hacer importantes descubrimientos fundamentales, " él 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 tendría la batería más segura. Pero todavía tenemos trabajo por hacer. Este material muestra una pequeña cantidad de fuga de electrones, que debe quitarse antes de que pueda utilizarse en una batería ".