As baterias de magnésio oferecem a promessa de alimentar a vida moderna com segurança, ao contrário das baterias de íon de lítio tradicionais, eles não são inflamáveis ​​ou estão sujeitos a explodir - mas sua capacidade de armazenar energia é limitada.

Os pesquisadores relataram 24 de agosto no jornal Nature Communications a descoberta de um novo design para o cátodo da bateria, aumentando drasticamente a capacidade de armazenamento e derrubando a sabedoria convencional de que a ligação cloreto de magnésio deve ser quebrada antes de inserir o magnésio no hospedeiro.

"Estamos combinando um cátodo nanoestruturado e uma nova compreensão do eletrólito de magnésio, "disse Yan Yao, professor associado de engenharia elétrica e da computação na Universidade de Houston e autor principal do artigo. "Essa é nova."

O trabalho foi concebido pela primeira vez por Yao e seu colega de pós-doutorado Hyun Deog Yoo em 2014; o projeto durou vários anos e envolveu cientistas de três universidades e três laboratórios nacionais, trabalhando experimentalmente e teoricamente.

"O íon magnésio é conhecido por ser difícil de inserir em um hospedeiro, "disse Yoo, primeiro autor do artigo. "Em primeiro lugar, é muito difícil quebrar as ligações do cloreto de magnésio. Mais que isso, os íons de magnésio produzidos dessa forma se movem extremamente devagar no hospedeiro. Isso diminui totalmente a eficiência da bateria. "

A nova bateria armazena energia inserindo monocloreto de magnésio em um hospedeiro, como dissulfeto de titânio. Ao reter a ligação cloreto de magnésio, Yao disse, o cátodo demonstrou difusão muito mais rápida do que as versões tradicionais de magnésio.

Os pesquisadores relatam que a nova bateria tem capacidade de armazenamento de 400 mAh / g, em comparação com 100 mAh / g das baterias de magnésio anteriores. As baterias de íon de lítio comerciais têm uma capacidade de cátodo de cerca de 200 mAh / g, disse Yao, que também é investigador principal do Texas Center for Superconductivity at UH.

A voltagem da nova bateria permanece baixa em cerca de um volt. Isso se compara a três a quatro volts para baterias de lítio.

A alta tensão, juntamente com sua alta densidade de energia, tornou as baterias de íon de lítio o padrão. Mas o lítio é caro e pode desenvolver brechas em sua estrutura interna, uma condição conhecida como crescimentos dendríticos, o que pode causar o incêndio das baterias. Como um recurso abundante em terra, o magnésio é mais barato e não forma dendritos. Até agora, Contudo, tem sido contido pela necessidade de um cátodo melhor - o eletrodo de onde flui a corrente - e eletrólitos mais eficientes, o meio pelo qual a carga iônica flui entre o cátodo e o ânodo.

Este trabalho sugere uma solução.

A chave, Yoo disse, é expandir o dissulfeto de titânio para permitir que o cloreto de magnésio seja inserido - um processo de quatro etapas chamado intercalação - em vez de quebrar as ligações do cloreto de magnésio e inserir apenas o magnésio. A retenção da ligação de cloreto de magnésio dobrou a carga que o cátodo poderia armazenar.

As moléculas de monocloreto de magnésio são muito grandes para serem inseridas no dissulfeto de titânio usando métodos convencionais. Com base em seus trabalhos anteriores, os pesquisadores criaram uma nanoestrutura aberta, expandindo as lacunas no dissulfeto de titânio em 300 por cento, usando "pilares" orgânicos.

A abertura ainda era pequena, aumentou de 0,57 nanômetros para 1,8 nanômetros, mas Yao disse que isso permitia a inserção do cloreto de magnésio.

"Modelagem teórica combinada, análise espectroscópica, e o estudo eletroquímico revela a cinética de difusão rápida de cátions de monocloreto de magnésio sem cisão da ligação de cloreto de magnésio, "escreveram os pesquisadores." ... A grande capacidade acompanha excelentes desempenhos de velocidade e ciclismo, mesmo em temperatura ambiente, abrindo possibilidades para uma variedade de hosts de intercalação eficazes para baterias de íons multivalentes. "

"Esperamos que esta seja uma estratégia geral, "Yoo disse." Inserindo vários íons poliatômicos em hosts de alta voltagem, eventualmente pretendemos criar baterias de alta energia a um preço mais baixo, especialmente para veículos elétricos. "