Las baterías de magnesio ofrecen la promesa de alimentar de forma segura la vida moderna, a diferencia de las baterías de iones de litio tradicionales, no son inflamables ni están sujetas a explosión, pero su capacidad para almacenar energía ha sido limitada.
Los investigadores informaron el 24 de agosto en la revista Comunicaciones de la naturaleza el descubrimiento de un nuevo diseño para el cátodo de la batería, que aumenta drásticamente la capacidad de almacenamiento y pone al revés la sabiduría convencional de que el enlace de cloruro de magnesio debe romperse antes de insertar magnesio en el host.
"Estamos combinando un cátodo nanoestructurado y una nueva comprensión del electrolito de magnesio", dijo Yan Yao, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Houston y autor principal del artículo. "Eso es nuevo".
El trabajo fue concebido por primera vez por Yao y su compañero postdoctoral Hyun Deog Yoo en 2014; el proyecto abarcó varios años e involucró a científicos de tres universidades y tres laboratorios nacionales, trabajando tanto experimental como teóricamente.
"Se sabe que el ion de magnesio es difícil de insertar en un huésped", dijo Yoo, primer autor del artículo. "En primer lugar, es muy difícil romper los enlaces de cloruro de magnesio. Más que eso, los iones de magnesio producidos ende esa forma, muévase muy lentamente en el host. Eso reduce la eficiencia de la batería ".
La nueva batería almacena energía insertando monocloruro de magnesio en un huésped, como el disulfuro de titanio. Al retener el enlace de cloruro de magnesio, dijo Yao, el cátodo demostró una difusión mucho más rápida que las versiones tradicionales de magnesio.
Los investigadores informan que la nueva batería tiene una capacidad de almacenamiento de 400 mAh / g, en comparación con 100 mAh / g para las baterías de magnesio anteriores. Las baterías comerciales de iones de litio tienen una capacidad catódica de aproximadamente 200 mAh / g, dijo Yao, quien también es uninvestigador principal del Centro de Superconductividad de Texas en UH.
El voltaje de la batería nueva permanece bajo a aproximadamente un voltio. Eso se compara con tres a cuatro voltios para las baterías de litio.
El alto voltaje, junto con su alta densidad de energía, ha hecho que las baterías de iones de litio sean el estándar. Pero el litio es costoso y puede desarrollar brechas en su estructura interna, una condición conocida como crecimientos de dendrita, que pueden provocar que las baterías se incendien.Como un recurso abundante en la tierra, el magnesio es más barato y no forma dendritas. Hasta ahora, sin embargo, ha sido frenado por la necesidad de un mejor cátodo, el electrodo del que fluye la corriente, y electrolitos más eficientes.medio a través del cual fluye la carga iónica entre el cátodo y el ánodo.
Este trabajo sugiere una solución
La clave, dijo Yoo, es expandir el disulfuro de titanio para permitir que se inserte cloruro de magnesio, un proceso de cuatro pasos llamado intercalación, en lugar de romper los enlaces de cloruro de magnesio e insertar el magnesio solo.el enlace de cloruro duplicó la carga que el cátodo podría almacenar.
Las moléculas de monocloruro de magnesio son demasiado grandes para insertarse en el disulfuro de titanio utilizando métodos convencionales. Sobre la base de su trabajo anterior, los investigadores crearon una nanoestructura abierta al expandir los espacios en el disulfuro de titanio en un 300 por ciento, utilizando "pilares" orgánicos.
La apertura aún era pequeña, aumentó de 0,57 nanómetros a 1,8 nanómetros, pero Yao dijo que eso permitió que se insertara el cloruro de magnesio.
"Los modelos teóricos combinados, el análisis espectroscópico y el estudio electroquímico revelan una cinética de difusión rápida de los cationes de monocloruro de magnesio sin escisión del enlace de cloruro de magnesio", escribieron los investigadores. "., abriendo posibilidades para una variedad de hosts de intercalación efectivos para baterías de iones multivalentes "
"Esperamos que esta sea una estrategia general", dijo Yoo. "Al insertar varios iones poliatómicos en hosts de mayor voltaje, eventualmente buscamos crear baterías de mayor energía a un precio más bajo, especialmente para vehículos eléctricos".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Houston . Original escrito por Jeannie Kever. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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