Baterias de estado sólido de íon de magnésio:mais seguras e eficientes que o lítio

Ainda é muito cedo para prometer baterias de estado sólido com maior densidade energética e que não explodem. No entanto, pesquisadores do Joint Center for Energy Storage Research desenvolveram um condutor de estado sólido de íons de magnésio que contribuirá muito para a criação de baterias de magnésio não inflamáveis ​​com maior capacidade de armazenamento de energia.

A razão pela qual as baterias de lítio explodem é que elas são feitas de eletrólito líquido que transporta carga entre o ânodo e o cátodo, o que as torna um material potencialmente inflamável. No entanto, o condutor de estado sólido de magnésio, que pode ser usado como eletrólito (não líquido), é resistente ao fogo. Isso significa que no futuro não veremos Samsung Galaxies e iPhones explodindo em pedaços.

Várias empresas, incluindo a Toyota e a KIT, concentraram-se na construção de um eletrólito líquido melhor, mas têm tendência a corroer os outros componentes da bateria. Então, os pesquisadores queriam tentar algo diferente. Por que não o magnésio, que tem maior densidade em comparação ao lítio e é muito mais abundante na natureza?

Para desenvolver esta tecnologia, os pesquisadores selecionaram espinélio de seleneto de magnésio e escândio , que tem mobilidade de magnésio comparável aos eletrólitos de estado sólido de lítio. Vamos descobrir como eles tornaram isso possível.

Papel do MIT e Argonne

A equipe de cientistas contou com a ajuda de pesquisadores do MIT, que ofereceram recursos computacionais, e do Laboratório Nacional de Argonne, que documentou a estrutura e a função do material espinélio de seleneto de magnésio e escândio.

Um químico pesquisador de Argonne, Baris Key, realizou testes de espectroscopia de RMN (Ressonância Magnética Nuclear) para provar que os íons de magnésio podem viajar através do material tão rápido quanto previsto em estudos teóricos. Os dados do experimento envolviam estrutura de material desconhecida com propriedades complexas, tornando-a bastante difícil de entender.

Juntamente com as medições de RMN de estado sólido e síncrotron, a caracterização eletroquímica tradicional foi aplicada para tornar essas descobertas possíveis.



A RMN é bastante semelhante à ressonância magnética (ressonância magnética), que é frequentemente usada na medicina para mostrar átomos de hidrogênio da água nos nervos, músculos e tecido adiposo humanos. A frequência de RMN pode ser ajustada para identificar outros elementos, como íons de magnésio ou lítio presentes nos materiais da bateria.

Fonte: Laboratório Nacional Lawrence Berkeley

Por que Seleneto de Magnésio e Escândio Espinélio?

As estruturas de espinélio foram selecionadas com base nos parâmetros de projeto. Essas estruturas possuem maior mobilidade de magnésio com alto volume por ânion. Além disso, a relaxometria de RMN e a espectroscopia de impedância confirmam o rápido movimento do íon magnésio com uma baixa barreira de migração. Como a espectroscopia de impedância mostra comportamento de condução mista, planos para suprimir a condutividade eletrônica devem ser buscados para que o material se torne um eletrólito de magnésio no estado sólido que possa ser usado na prática.

Os dois fenômenos fundamentais que podem afetar significativamente a produção de eletrólitos de magnésio no estado sólido - o papel dos defeitos pontuais e a influência da inversão na mobilidade e na eletroquímica do magnésio, ambos os artigos são publicados na Chemistry of Materials.

As observações sugerem que a condutividade eletrônica é causada por defeitos intrínsecos ou por fases secundárias que não contêm magnésio. Assim, compreender a química do defeito no espinélio de seleneto de magnésio e escândio é muito importante para reduzir a condutividade eletrônica. Uma abordagem alternativa para contornar a condução eletrônica é projetar sua superfície para ser condutora de íons, mas isolante de elétrons. Isso pode ser alcançado através da formação situ de uma interface fina entre o eletrólito e o eletrodo de estado sólido do material, ou do revestimento ex situ de uma fina camada de material diferente.

Para garantir um desempenho decente de uma bateria de estado sólido, a prática camada de revestimento precisa apresentar mobilidade suficiente de magnésio. A equipe de pesquisa considerou a difusão do magnésio através de produtos notáveis ​​de decomposição de eletrólitos contra material de magnésio, incluindo o binário selenieto de magnésio, sulfeto de magnésio e óxido de magnésio.



Eles descobriram altas barreiras de difusão em óxido de magnésio e sulfeto de magnésio, enquanto seleneto de magnésio apresenta valor inferior. Portanto, potenciais eletrólitos de magnésio no estado sólido (aqueles compostos por sulfetos e óxidos) precisam garantir a geração de produtos interfaciais com melhor mobilidade de magnésio quando usados ​​contra magnésio metálico, em comparação com calcogenetos binários de magnésio.

Além de identificar o primeiro espinélio com condutividade iônica de magnésio em alta temperatura ambiente, o trabalho de pesquisa também valida as regras de projeto anteriormente detectadas para condutores sólidos de íons multivalentes rápidos. Este é um passo encorajador para a descoberta de mais sólidos com rápida mobilidade de magnésio, que poderiam funcionar como materiais eletrolíticos ou eletrodos.

Artigo de pesquisa: Alta mobilidade de magnésio em calcogenetos de espinélio ternário

Efeitos e escopo futuro

De acordo com um professor assistente, Bo, da Universidade Jiao Tong de Xangai, a pesquisa teria um efeito notável no cenário energético. Embora a tecnologia esteja em seu estágio inicial, num futuro próximo poderá ter impacto transformador no armazenamento de energia.

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Parece inovador e emocionante, mas a equipe diz que ainda é necessário muito trabalho de mobiliário antes que o material possa ser usado em uma bateria real. Actualmente, existe uma pequena quantidade de fuga de electrões que tem de ser removida, mas a melhoria da mobilidade iónica é encorajadora para baterias comerciais mais seguras.