Un gran avance en el desarrollo de las baterías de magnesio
El nuevo cátodo y electrolito permite que la batería de alta potencia que antes se consideraba imposible
Las baterías de magnesio se han considerado durante mucho tiempo una alternativa potencialmente más segura y menos costosa que las baterías de iones de litio, pero las versiones anteriores han sido muy limitadas en cuanto a la potencia que suministraban.
Investigadores de la Universidad de Houston y del Instituto de Investigación Toyota de América del Norte han informado de un gran avance en el desarrollo de las baterías de magnesio, que les permite ofrecer una densidad de potencia comparable a la de las baterías de iones de litio.
University of Houston
Los investigadores de la Universidad de Houston y del Instituto de Investigación Toyota de América del Norte (TRINA) informan en Nature Energy que han desarrollado un nuevo cátodo y electrolito -antes los factores limitantes de una batería de magnesio de alta energía- para demostrar una batería de magnesio capaz de funcionar a temperatura ambiente y ofrecer una densidad de potencia comparable a la que ofrecen las baterías de iones de litio.
A medida que la necesidad de almacenamiento de energía a escala de red y otras aplicaciones se hace más apremiante, los investigadores han buscado alternativas al litio menos costosas y más fácilmente disponibles.
Los iones de magnesio tienen el doble de carga que el litio, y un radio iónico similar. Como resultado, la disociación del magnesio de los electrolitos y su difusión en el electrodo, dos procesos esenciales que tienen lugar en los cátodos de intercalación clásicos, son lentos a temperatura ambiente, lo que conduce a un rendimiento de baja potencia.
Un enfoque para abordar estos desafíos es mejorar las reacciones químicas a temperaturas elevadas. El otro evita las dificultades almacenando el catión de magnesio en sus formas complejas. Ninguno de los dos enfoques es práctico.
Yan Yao, Profesor Cullen de Ingeniería Eléctrica y Computacional de la Universidad de Houston y co-autor del artículo, dijo que los resultados pioneros provienen de la combinación de un cátodo orgánico de quinona y una nueva solución de electrolitos basada en un grupo de boro.
"Demostramos una química redox de enolización heterogénea para crear un cátodo que no se vea obstaculizado por la disociación iónica y los desafíos de difusión en estado sólido que han impedido que las baterías de magnesio funcionen eficientemente a temperatura ambiente", dijo Yao. "Esta nueva clase de química redox evita la necesidad de intercalación de estado sólido mientras que sólo almacena magnesio, en lugar de sus formas complejas, creando un nuevo paradigma en el diseño de electrodos de baterías de magnesio".
Yao, que también es un investigador principal del Centro de Superconductividad de Texas en UH (TcSUH), es un líder en el desarrollo de baterías multivalentes de iones metálicos. Su grupo publicó recientemente un artículo de revisión en Nature Energy sobre la hoja de ruta para mejorar las baterías multivalentes.
Los investigadores de TRINA han hecho enormes avances en el campo de las baterías de magnesio, incluyendo el desarrollo de electrolitos altamente reconocidos y eficientes basados en aniones de cúmulos de boro. Sin embargo, estos electrolitos tenían limitaciones para soportar altas tasas de ciclos de batería.
"Teníamos indicios de que los electrolitos basados en estos aniones débilmente coordinados en principio podrían tener el potencial de soportar tasas de ciclo muy altas, por lo que trabajamos en el ajuste de sus propiedades", dijo Rana Mohtadi, un científico principal en el departamento de investigación de materiales de TRINA y autor co-responsable. "Afrontamos esto dirigiendo nuestra atención al disolvente para reducir su unión a los iones de magnesio y mejorar la cinética de transporte a granel".
"Nos fascinó que el magnesio del electrolito modificado se mantuviera liso incluso a velocidades de ciclo ultra altas. Creemos que esto revela una nueva faceta en la electroquímica de las baterías de magnesio".
El trabajo es en parte una continuación de los esfuerzos anteriores descritos en 2018 en Joule e involucró a muchos de los mismos investigadores. Además de Yao y Mohtadi, entre los coautores se encuentran los primeros autores Hui Dong, anteriormente miembro del laboratorio de Yao y ahora investigador posdoctoral de la Universidad de Texas en Austin, y Oscar Tutusaus de TRINA; Yanliang Liang y Ye Zhang de UH y TcSUH; y Zachary Lebens-Higgins y Wanli Yang del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Lebens-Higgins también está afiliado a la Universidad de Binghamton.
"La nueva batería es casi dos órdenes de magnitud más alta que la densidad de potencia alcanzada por las anteriores baterías de magnesio", dijo Dong. "La batería fue capaz de continuar operando por más de 200 ciclos con alrededor de un 82% de retención de capacidad, mostrando una alta estabilidad. Podemos mejorar aún más la estabilidad de los ciclos adaptando las propiedades de la membrana con una mayor capacidad de retención intermedia".
Tutusaus dijo que el trabajo sugiere los próximos pasos hacia las baterías de magnesio de alto rendimiento.
"Nuestros resultados marcan la dirección para el desarrollo de materiales catódicos y soluciones electrolíticas de alto rendimiento para las baterías de magnesio y desvelan nuevas posibilidades para el uso de metales de alta densidad energética para el almacenamiento rápido de energía", dijo.
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