Las baterías de magnesio se han considerado durante mucho tiempo como una alternativa potencialmente más segura y menos costosa que las baterías de iones de litio, pero se han visto muy limitadas en la potencia que ofrecían.
Investigadores de la Universidad de Houston y el Toyota Research Institute of North America (TRINA) informan en Nature Energy que han desarrollado un nuevo cátodo y electrolito, que eran los factores limitantes para una batería de magnesio de alta energía, para crear una batería de magnesio capaz de operar a temperatura ambiente y entregando 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 vuelve más urgente, los investigadores han buscado alternativas menos costosas y más fácilmente disponibles al litio.
Los iones de magnesio tienen el doble de carga que el litio, mientras que tienen 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 al almacenar el catión de magnesio en sus formas complejas. Ninguno de los enfoques es práctico.
Yan Yao, profesor Cullen de Ingeniería Eléctrica e Informática en la Universidad de Houston y autor del artículo, dijo que sus resultados provienen de la combinación de un cátodo de quinona orgánica y una nueva solución de electrolitos basada en agrupaciones de boro a medida.
"Demostramos una química redox de enolización heterogénea para crear un cátodo que no se vea obstaculizado por los desafíos de la disociación iónica y la difusión de 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 almacena únicamente magnesio, en lugar de sus formas complejas, creando un nuevo paradigma en el diseño de electrodos de batería de magnesio".
Yao, quien también es investigador principal del Centro de Superconductividad de Texas en UH (TcSUH), es líder en el desarrollo de baterías de iones metálicos multivalentes. 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 logrado enormes avances en el campo de las baterías de magnesio, incluido el desarrollo de electrolitos eficientes y altamente reconocidos basados en aniones de boro. Sin embargo, estos electrolitos tenían limitaciones para soportar altas velocidades de ciclo de la batería.
"Teníamos indicios de que los electrolitos basados en estos aniones de coordinación débil en principio podrían tener el potencial de soportar tasas de ciclos muy altas, por lo que trabajamos en ajustar sus propiedades", dijo Rana Mohtadi, científica principal en el departamento de investigación de materiales de TRINA. "Abordamos esto dirigiendo nuestra atención al solvente para reducir su unión a los iones de magnesio y mejorar la cinética de transporte a granel".
"Estábamos fascinados de que el magnesio recubierto del electrolito modificado se mantuviera suave incluso bajo 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.
"La nueva batería es casi dos órdenes de magnitud más alta que la densidad de potencia alcanzada por las baterías de magnesio anteriores", dijo Dong. "La batería pudo continuar funcionando durante más de 200 ciclos con alrededor del 82% de retención de capacidad, mostrando una alta estabilidad. Podemos mejorar aún más la estabilidad del ciclo adaptando las propiedades de la membrana con una capacidad de captura intermedia mejorada".
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 de cátodos de alto rendimiento y soluciones de electrolitos para baterías de magnesio y descubren nuevas posibilidades para el uso de metales densos en energía para el almacenamiento rápido de energía", dijo.
Más información: Hui Dong et al. High-power Mg batteries enabled by heterogeneous enolization redox chemistry and weakly coordinating electrolytes, Nature Energy (2020). DOI: 10.1038/s41560-020-00734-0
Nota original: University of Houston