11.08.2022 - Tokyo University of Science

Nuevo conductor superiónico de magnesio hacia las baterías de estado sólido sin litio

Los científicos demuestran por primera vez un conductor de iones de magnesio basado en un marco metal-orgánico que muestra una conductividad superiónica incluso a temperatura ambiente

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 (Li+) recargables en estado sólido son el estado del arte. Pero el litio es un metal de tierras raras, y la dependencia de la sociedad de este elemento puede provocar una rápida disminución de los recursos y la consiguiente subida de precios.

Las baterías basadas en iones de magnesio (Mg2+) han cobrado impulso como alternativa al Li+. La corteza terrestre contiene mucho magnesio y los dispositivos energéticos basados en el Mg2+ tienen alta densidad de energía, gran seguridad y bajo coste. Pero la amplia aplicación del Mg2+ está limitada por su escasa conductividad en sólidos a temperatura ambiente. El Mg2+ tiene una escasa conductividad en estado sólido porque los iones positivos divalentes (2+) experimentan fuertes interacciones con sus iones negativos vecinos en un cristal sólido, impidiendo su migración a través del material.

Este obstáculo ha sido 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 de la revista Journal of the American Chemical Society, informan por primera vez de un conductor de Mg2+ en estado sólido con una conductividad superiónica de 10-3 S cm-1 (el umbral para la aplicación práctica en baterías de estado sólido). Esta magnitud de conductividad para conductores de Mg2+ es la más alta registrada hasta la fecha. Según el profesor asociado junior Masaaki Sadakiyo, de la TUS, que dirigió el estudio, "en este trabajo, explotamos una clase de materiales llamados marcos metal-orgánicos (MOF). Los MOF tienen estructuras cristalinas muy porosas, que proporcionan el espacio necesario para una migración eficaz de los iones incluidos. En este caso, introdujimos además una "molécula invitada", el acetonitrilo, en los poros del MOF, que consiguió acelerar fuertemente la conductividad del Mg2+". El grupo de investigación incluía además al Sr. Yuto Yoshida, también de la TUS, al profesor Teppei Yamada, de la Universidad de Tokio, y al profesor asistente Takashi Toyao y al profesor Ken-ichi Shimizu, de la Universidad de Hokkaido. El artículo se publicó en línea el 4 de mayo de 2022 y en el volumen 144, número 19, de la revista el 18 de mayo de 2022.

El equipo utilizó un MOF conocido como MIL-101 como marco principal y luego encapsuló iones Mg2+ en sus nanoporos. En el electrolito resultante, basado en el MOF, el Mg2+ se empaquetó de forma suelta, permitiendo así la migración de los iones Mg2+ divalentes. Para mejorar aún más la conductividad de los iones, el equipo de investigación expuso el electrolito a vapores de acetonitrilo, que fueron adsorbidos por el MOF como moléculas invitadas.

A continuación, el equipo sometió las muestras preparadas a una prueba de impedancia de corriente alterna (CA) para medir la conductividad iónica. Descubrieron que el electrolito de Mg2+ presentaba una conductividad superiónica de 1,9 × 10-3 S cm-1. Se trata de la mayor conductividad jamás registrada para un sólido cristalino que contenga Mg2+.

Para comprender el mecanismo que subyace a esta elevada conductividad, los investigadores realizaron mediciones espectroscópicas de infrarrojos y de isotermas de adsorción en el electrolito. Las pruebas revelaron que las moléculas de acetonitrilo adsorbidas en el armazón permitían la migración eficaz de los iones Mg2+ a través del cuerpo del electrolito sólido.

Los resultados de este estudio no sólo revelan que el novedoso conductor de Mg2+ basado en MOF es un material adecuado para las aplicaciones de las baterías, sino que también proporcionan una visión crítica del desarrollo de las futuras baterías de estado sólido. "Durante mucho tiempo se ha creído que los iones divalentes o de mayor valencia no pueden transferirse de forma eficiente a través de un sólido. En este estudio, hemos demostrado que si la estructura cristalina y el entorno circundante están bien diseñados, es posible investigar un conductor de alta conductividad en estado sólido", explica el Dr. Sadakiyo.

Cuando se le pregunta por los planes futuros del grupo de investigación, revela: . "Esperamos seguir contribuyendo a la sociedad desarrollando un conductor divalente con una conductividad iónica aún mayor."

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