Los Químicos De Texas A&M Desarrollan Un Nuevo Y Poderoso Tipo De Batería

Los ingenieros desarrollan un nuevo y potente tipo de batería

Una fase metaestable rediseñada de pentóxido de vanadio (V 2 O 5 ) muestra un rendimiento extraordinario como material de cátodo para baterías de magnesio. El gráfico compara las estructuras convencional (derecha) y metaestable de V 2 O 5 . Crédito: Justin Andrews.

Muévete, iones de litio; ahora, hay una batería mejor en el horizonte.

Un equipo de científicos de varias instituciones dirigido por el químico Sarbajit Banerjee de la Universidad de Texas A&M ha descubierto un material de cátodo de batería de óxido de metal y magnesio excepcional, lo que lleva a los investigadores un paso más hacia la entrega de baterías que prometen una mayor densidad de almacenamiento de energía además de los avances transformadores en seguridad. costo y rendimiento en comparación con sus homólogos de iones de litio (Li-ion) omnipresentes.

“El impulso mundial para promover la energía renovable está limitado por la disponibilidad de vectores de almacenamiento de energía”, dice Banerjee en el artículo del equipo, publicado en la revista Chem, una nueva revista centrada en la química de Cell Press. “Actualmente, domina la tecnología de iones de litio; sin embargo, la seguridad y el suministro a largo plazo de litio siguen siendo preocupaciones importantes. Por el contrario, el magnesio es mucho más abundante que el litio, tiene un punto de fusión más alto, forma superficies lisas cuando se recarga y tiene el potencial de producir un aumento de más de cinco veces en la densidad de energía si se puede identificar un cátodo apropiado “.

Irónicamente, la solución futurista del equipo depende de una forma rediseñada de un antiguo material de cátodo de iones de litio, pentóxido de vanadio, que demostraron que es capaz de insertar de forma reversible iones de magnesio.

“Básicamente, hemos reconfigurado los átomos para proporcionar una ruta diferente para que viajen los iones de magnesio, obteniendo así un material de cátodo viable en el que puedan insertarse y extraerse fácilmente durante la descarga y carga de la batería”, dice Banerjee.

Este raro fenómeno se logra al limitar la ubicación de los iones de magnesio a posiciones atómicas relativamente incómodas por diseño, según la forma en que se fabrica el pentóxido de vanadio, una propiedad conocida como metaestabilidad. Esta metaestabilidad ayuda a evitar que los iones de magnesio queden atrapados dentro del material y promueve la recolección completa de su capacidad de almacenamiento de carga con una degradación insignificante del material después de muchos ciclos de carga y recarga.

Los entresijos de la intercalación

Banerjee, profesor de Ciencias Davidson en el Departamento de Química de Texas A&M y miembro de la facultad afiliado del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, ha estado trabajando durante varios años para comprender mejor la intercalación de iones, el proceso crítico por el cual los iones como el litio y el magnesio entran y salen de otros materiales dentro de las baterías de intercalación.

Utilizando uno de los microscopios de rayos X blandos más potentes del mundo, el microscopio de rayos X de transmisión por barrido (STXM) y líneas de luz de emisión de rayos X, en la fuente de luz canadiense junto con uno de los microscopios electrónicos de transmisión con corrección de aberraciones de mayor resolución del mundo. con sede en la Universidad de Illinois en Chicago (UIC), Banerjee y colaboradores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la UIC y el Laboratorio Nacional Argonne pudieron observar las propiedades electrónicas únicas de su novedoso pentóxido de vanadio y probar directamente la intercalación de iones de magnesio en el material. En conjunto, el equipo aplicó décadas de experiencia combinada en ciencia de materiales para explicar las razones fundamentales por las que este nuevo tipo de pentóxido de vanadio es superior a la versión anterior, así como a las baterías de iones de litio.

Las computadoras portátiles y los teléfonos celulares son dos ejemplos de las muchas tecnologías habilitadas por el rápido desarrollo de la batería de iones de litio, que revolucionó la capacidad de almacenamiento de energía y la capacidad de recarga en comparación con su líder. ácido y predecesores de hidruro metálico de níquel. Sin embargo, dado el uso generalizado de litio no solo en dispositivos electrónicos portátiles, sino cada vez más en las baterías mucho más grandes necesarias para los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energía de la red, se espera que el litio sea cada vez más escaso a largo plazo. Además, las baterías de iones de litio son un juego arriesgado, como lo destacan los informes recientes ampliamente publicitados detallados en Scientific American, Reuters y Forbes, por ejemplo, en los que los dispositivos de iones de litio se incendiaron o explotaron como resultado de la fundamental inflamabilidad y reactividad del litio.

“Además de ser mucho más segura para las aplicaciones de los consumidores, la tecnología de iones de magnesio es atractiva fundamentalmente porque cada ión de magnesio cede dos electrones por ion, el doble de carga, mientras que cada ion de litio cede solo uno”, dice el estudiante graduado de química de Texas A&M NASA El investigador de tecnología espacial Justin Andrews, primer autor del artículo del equipo. “Esto significa que, dejando a un lado todas las demás consideraciones, si puede almacenar tanto magnesio en un material como litio, inmediatamente casi duplica la capacidad de la batería”.

Duplique la capacidad, duplique el problema

Pero a pesar de todas sus ventajas percibidas, las baterías de magnesio han demostrado ser demasiado buenas para ser verdad desde que se propusieron por primera vez en la década de 1990 y esencialmente se dejaron de lado por una variedad de problemas; principalmente, la falta de un cátodo adecuado o electrodo positivo, también conocida como la parte de una batería donde los iones de magnesio entran durante la descarga de la batería para alimentar un dispositivo electrónico y luego salen durante la carga.

“De hecho, lo más emocionante de los iones de magnesio, es decir, que almacenan el doble de carga en las aplicaciones de la batería, también constituye la base del mayor desafío”, dice el químico colaborador de la UIC Jordi Cabana. “La mayor carga de los iones de magnesio hace que se ‘adhieran’ mucho más fuertemente a los átomos circundantes”.

En otras palabras, dice Banerjee, los iones de magnesio son interceptados mientras atraviesan los caminos dentro del material del cátodo. Su movimiento lento es lo que hace que sea tan difícil fabricar baterías de magnesio viables.

“En muchas estructuras, algunas de estas interacciones son muy favorables, lo que significa que el magnesio está bastante contento de sentarse y permanecer un rato en esos sitios específicos”, explica Andrews. “En nuestro material, el magnesio se ‘frustra’ a medida que se mueve a través del enrejado, porque encuentra muchos entornos menos que óptimos. En este sentido, está más que feliz de seguir avanzando, lo que lleva a una mejora en la capacidad y la difusión “.

La investigación financiada por la Fundación Nacional de Ciencias del equipo presenta a dos estudiantes graduados actuales y anteriores de Texas A&M, Abhishek Parija y Peter M. Marley, respectivamente. David Prendergast, director de instalaciones de Molecular Foundry de Berkeley Lab, una instalación de usuarios nacionales para la investigación científica a nanoescala del Departamento de Energía de EE. UU., Ayudó al equipo de Texas A&M a diseñar e interpretar sus cálculos, que fueron verificados experimentalmente en parte por Fakra utilizando la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab. junto con los datos estructurales recopilados en la fuente de fotones avanzada de Argonne National Lab. Se recolectaron imágenes de resolución atómica de la nueva forma de pentóxido de vanadio en colaboración con el físico de la UIC Robert F. Klie y la estudiante graduada de física Arijita Mukherjee y muestran evidencia directa de magnesio intercalado dentro del material. Las mediciones de la batería que muestran reversibilidad y confirman la robustez del material del cátodo completan la historia y se realizaron en colaboración con Cabana y el ex miembro del grupo Cabana Hyun Deog Yoo.

La investigación financiada por la Fundación Nacional de Ciencias del equipo presenta a dos estudiantes graduados actuales y anteriores de Texas A&M, Abhishek Parija y Peter M. Marley, respectivamente. David Prendergast, director de instalaciones de Molecular Foundry de Berkeley Lab, una instalación de usuarios nacionales para la investigación científica a nanoescala del Departamento de Energía de EE. UU., Ayudó al equipo de Texas A&M a diseñar e interpretar sus cálculos, que fueron verificados experimentalmente en parte por Fakra utilizando la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab. junto con los datos estructurales recopilados en la fuente de fotones avanzada de Argonne National Lab. Se recolectaron imágenes de resolución atómica de la nueva forma de pentóxido de vanadio en colaboración con el físico de la UIC Robert F. Klie y la estudiante graduada de física Arijita Mukherjee y muestran evidencia directa de magnesio intercalado dentro del material. Las mediciones de la batería que muestran reversibilidad y confirman la robustez del material del cátodo completan la historia y se realizaron en colaboración con Cabana y el ex miembro del grupo Cabana Hyun Deog Yoo.

“Sobre el papel, las baterías de magnesio son muy deseables porque prometen una mayor densidad de energía además de la capacidad de resolver varios de los problemas clave que los investigadores, y desafortunadamente los consumidores, están descubriendo con las baterías de iones de litio, incluidos el costo, la seguridad y el rendimiento en el niveles más fundamentales ”, dice Andrews. “Pero el cambio de las tecnologías de iones de litio a las de iones de magnesio no es sencillo, y los muchos problemas que se encuentran al diseñar cátodos de iones de magnesio han obstaculizado el desarrollo de estas baterías más sostenibles y seguras”.

Trabajando hacia un futuro energético más seguro

Andrews dice que la investigación del equipo marca un punto de inflexión importante en el campo porque representa un avance significativo hacia la solución del problema del cátodo, al tiempo que destaca las ventajas inherentes de usar materiales mucho más imaginativos y metaestables como esta nueva forma de pentóxido de vanadio. Pero incluso él admite que hay mucho más trabajo por hacer antes de que esta particular tendencia de los 90 vuelva a estar de moda.

“Si bien esta investigación ha proporcionado una gran cantidad de información, todavía hay varios otros problemas fundamentales que superar antes de que las baterías de magnesio se conviertan en realidad”, agrega Andrews. “No obstante, este trabajo acerca las baterías de magnesio un paso más a la realidad, es decir, una realidad en la que las baterías serían menos costosas, más livianas y más seguras para permitir una adopción más fácil de los formatos de gran área necesarios para los vehículos eléctricos y para almacenar energía generada por energía solar y fuentes de viento “.

Publicación: Justin L. Andrews, et al., “Inserción reversible de iones de magnesio en un polimorfo unidimensional metaestable de V 2 O 5 ”, Chem, 2018; doi: 10.1016 / j.chempr.2017.12.018

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