El desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía altamente eficientes que puedan almacenar energía renovable es crucial para un futuro sostenible. En el mundo actual, las baterías de iones de litio recargables de estado sólido (Li ⁺ ) las baterías son lo último en tecnología. Pero el litio es un metal de tierras raras, y es probable que la dependencia de la sociedad del elemento conduzca a una rápida disminución de los recursos y al posterior aumento de los precios.

Ion magnesio (Mg ²⁺ Las baterías basadas en ) han cobrado impulso como alternativa a Li ⁺ . La corteza terrestre contiene abundante magnesio y Mg ²⁺ Se dice que los dispositivos basados ​​en energía tienen altas densidades de energía, alta seguridad y bajo costo. Pero la amplia aplicación de Mg ²⁺ está limitada por su pobre conductividad en sólidos a temperatura ambiente. mg ²⁺ tiene una conductividad de estado sólido deficiente porque los iones positivos divalentes (2+) experimentan fuertes interacciones con los iones negativos vecinos en un cristal sólido, lo que impide su migración a través del material.

Este obstáculo fue superado recientemente por un equipo de investigación de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS). En su nuevo estudio publicado en línea el 4 de mayo de 2022 y el 18 de mayo de 2022 en el volumen 144 número 19 del Journal of the American Chemical Society , informan por primera vez, un Mg ²⁺ de estado sólido conductor con conductividad superiónica de 10 ⁻³ Scm ⁻¹ (el umbral para la aplicación práctica en baterías de estado sólido). Esta magnitud de conductividad para Mg ²⁺ conductores es el más alto reportado hasta la fecha. Según el profesor asociado junior Masaaki Sadakiyo de TUS, quien dirigió el estudio, "en este trabajo, explotamos una clase de materiales llamados estructuras metalorgánicas (MOF). Los MOF tienen estructuras cristalinas altamente porosas, que brindan el espacio para la migración eficiente de los iones incluidos Aquí, además introdujimos una 'molécula invitada', acetonitrilo, en los poros del MOF, que logró acelerar fuertemente la conductividad de Mg ²⁺ El grupo de investigación incluyó además al Sr. Yuto Yoshida, también de TUS, al profesor Teppei Yamada de la Universidad de Tokio, al profesor asistente Takashi Toyao y al profesor Ken-ichi Shimizu de la Universidad de Hokkaido. El documento estuvo disponible en línea el 4 de mayo de 2022 y fue publicado en el Volumen 144 Número 19 de la revista el 18 de mayo de 2022

El equipo usó un MOF conocido como MIL-101 como estructura principal y luego encapsuló Mg ²⁺ iones en sus nanoporos. En el electrolito basado en MOF resultante, Mg ²⁺ estaba empacado sin apretar, lo que permitía la migración de Mg ²⁺ divalente iones Para mejorar aún más la conductividad iónica, el equipo de investigación expuso el electrolito a vapores de acetonitrilo, que fueron adsorbidos por el MOF como moléculas invitadas.

Luego, el equipo sometió las muestras preparadas a una prueba de impedancia de corriente alterna (CA) para medir la conductividad iónica. Descubrieron que el Mg ²⁺ electrolito exhibió una conductividad superiónica de 1.9 × 10 ⁻³ Scm ⁻¹ . Esta es la conductividad más alta jamás reportada para un sólido cristalino que contiene Mg ²⁺ .

Para comprender el mecanismo detrás de esta alta conductividad, los investigadores llevaron a cabo mediciones espectroscópicas infrarrojas e isotermas de adsorción en el electrolito. Las pruebas revelaron que las moléculas de acetonitrilo adsorbidas en el marco permitieron la migración eficiente del Mg ²⁺ iones a través del cuerpo del electrolito sólido.

Estos hallazgos de este estudio no solo revelan el nuevo Mg ²⁺ basado en MOF conductor como un material adecuado para aplicaciones de batería, pero también proporciona información crítica sobre el desarrollo de futuras baterías de estado sólido. "Durante mucho tiempo, la gente ha creído que los iones divalentes o de mayor valencia no pueden transferirse eficientemente a través de un sólido. En este estudio, hemos demostrado que si la estructura cristalina y el entorno circundante están bien diseñados, entonces un estado sólido de alto conductor de conductividad está dentro de la investigación", explica el Dr. Sadakiyo.

Cuando se le pregunta sobre los planes futuros del grupo de investigación, revela que "esperan contribuir aún más a la sociedad mediante el desarrollo de un conductor divalente con una conductividad iónica aún mayor". + Explora más

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