Los científicos han descubierto un nuevo estado químico del elemento manganeso. Este estado químico, propuesto por primera vez hace unos 90 años, permite un alto rendimiento, Batería de iones de sodio de bajo costo que podría almacenar y distribuir de manera rápida y eficiente la energía producida por paneles solares y turbinas eólicas a través de la red eléctrica.

Esta prueba directa de un estado de carga no confirmado previamente en un componente de batería que contiene manganeso podría inspirar nuevas vías de exploración de innovaciones en baterías.

Los experimentos de rayos X en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Laboratorio de Berkeley) del Departamento de Energía de EE. UU. Fueron clave en el descubrimiento. Los resultados del estudio aparecen en la edición del 28 de febrero de la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Los científicos de Berkeley Lab y la Universidad de Nueva York participaron en el estudio, que fue dirigido por investigadores de Natron Energy, anteriormente Alveo Energy, un Palo Alto, Compañía de tecnología de baterías con sede en California.

La batería que Natron Energy suministró para el estudio presenta un diseño poco convencional para un ánodo, que es uno de sus dos electrodos. En comparación con los diseños relativamente maduros de ánodos utilizados en las baterías de iones de litio, Los ánodos para baterías de iones de sodio siguen siendo un foco activo de I + D.

El ánodo presentado en este último estudio está compuesto por una mezcla de elementos, que incluyen manganeso, carbono y nitrógeno:químicamente similar a la fórmula del pigmento de pintura que contiene hierro conocido como azul de Prusia.

"Típicamente, en baterías de iones de litio y de iones de sodio, el ánodo es más a menudo a base de carbono, "dijo Wanli Yang, científico del personal de la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab, la fuente de rayos X que se utilizaron en los experimentos de la batería.

Pero en este caso, Ambos electrodos de la batería utilizan el mismo tipo de materiales basados ​​en elementos conocidos como "metales de transición" que son útiles en química porque pueden exhibir varios estados de carga. El otro electrodo, llamado cátodo, contiene cobre, nitrógeno, carbón, y plancha.

"La parte muy interesante aquí es que ambos electrodos se basan en la química de los metales de transición en el mismo tipo de materiales, "añadió, con hierro en el cátodo y una química especial de manganeso en el ánodo.

"Uno de los beneficios directos de utilizar dichos materiales para ambos electrodos en la batería es que ninguno de los dos electrodos limita fundamentalmente la capacidad de energía, ciclo de vida, o el costo del dispositivo, "dijo Colin Wessells, CEO de Natron Energy. La batería supera los objetivos de ciclo de vida y precio del Departamento de Energía para el almacenamiento de energía a escala de red, como informan los investigadores en su último estudio.

Wessells señaló que la batería es muy estable, sus materiales son abundantes, su costo total es competitivo con las baterías de plomo-ácido convencionales, y tiene una huella medioambiental menor que las baterías convencionales.

Se ha demostrado que la batería entrega hasta el 90 por ciento de su energía total de una manera muy rápida, descarga de cinco minutos, y retener alrededor del 95 por ciento de su capacidad de descarga para 1, 000 ciclos. Ofrece una alternativa a los sistemas de almacenamiento de energía basados ​​en la gravedad para la red eléctrica, en el que el agua se bombea cuesta arriba y luego se libera cuesta abajo a demanda para generar electricidad.

Exactamente cómo la batería alcanza su alto rendimiento, aunque, había desconcertado a los investigadores.

Hubo especulaciones que se remonta a un artículo de una revista en idioma alemán de 1928, que el manganeso podría existir en un estado llamado "1-plus" o "monovalente", lo que significa que un átomo de manganeso en este estado pierde solo un electrón. Esto es inusual ya que se sabe que los átomos de manganeso ceden dos o más electrones, o sin electrones, en reacciones químicas, pero no solo uno.

Un estado químico tan novedoso permitiría un rango de voltaje útil para los ánodos de las baterías. Pero no ha habido ninguna medición que confirme esta forma monovalente de manganeso.

Los investigadores de Natron Energy estudiaron los materiales de la batería en la Fundición Molecular de Berkeley Lab, un centro de nanociencia, y luego ofreció algunas celdas de batería de muestra para su estudio en la ALS.

La primera ronda de experimentos de rayos X en la ALS, que utilizó una técnica llamada espectroscopia de absorción de rayos X suave, parecía mostrar principalmente la forma 2-plus de manganeso.

"Solo captamos una pista (de otra forma) en las pruebas iniciales, y tuvo que depender en gran medida de la teoría para especular sobre un estado diferente, "dijo Andrew Wray de la Universidad de Nueva York, quien realizó los cálculos teóricos.

Luego, el equipo recurrió a un sistema recién construido en el ALS, denominada dispersión de rayos X inelástica resonante in situ, o iRIXS. La técnica, que proporciona una sonda de alta sensibilidad de la química interna de los materiales, mostró un contraste revelador en los electrones durante los ciclos de carga y descarga de la batería.

"Un contraste muy claro aparece inmediatamente con RIXS, ", Dijo Yang." Más tarde nos dimos cuenta de que el manganeso 1-plus se comporta muy, muy cerca del estado típico 2-plus en otra espectroscopia convencional, "por eso había sido difícil de detectar durante tantas décadas.

Wray agregado, "El análisis de los resultados de RIXS no solo confirma el estado de manganeso 1-plus; también muestra que las circunstancias especiales que dan lugar a este estado facilitan que los electrones viajen en el material. Esta es probablemente la razón por la que un electrodo de batería tan inusual funciona muy bien."

Los prototipos comerciales basados ​​en la batería probada en el laboratorio ingresaron a la prueba beta del cliente a principios de este año, Señaló Wessells. Además de las aplicaciones de red, Natron Energy está promoviendo la tecnología para la energía de emergencia de los centros de datos, y para equipo pesado como carretillas elevadoras eléctricas, entre otras posibles aplicaciones.

Yang dijo que el enigma químico resuelto en el último estudio podría inspirar otra I + D en nuevos tipos de electrodos de batería. "El funcionamiento de una batería podría impulsar la aparición de estados químicos atípicos que no existen en nuestro pensamiento convencional. Esta comprensión básica podría desencadenar otros diseños novedosos, y abrir nuestros ojos más allá de nuestra sabiduría convencional "sobre los materiales de los electrodos, él dijo.

"Este estudio fue como un paquete perfecto, con industria combinada, laboratorio nacional, y contribuciones universitarias, "Dijo Yang.