Uma equipe de cientistas do Departamento de Energia (DOE) do Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) descobriu o condutor de estado sólido de íon magnésio mais rápido, um grande passo em direção à fabricação de baterias de íon magnésio de estado sólido com alta densidade energética e seguras.

O eletrólito, que carrega carga para frente e para trás entre o cátodo e o ânodo da bateria, é um líquido em todas as baterias comerciais, o que os torna potencialmente inflamáveis, especialmente em baterias de íon de lítio. Um condutor de estado sólido, que tem o potencial de se tornar um eletrólito, seria muito mais resistente ao fogo.

Pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory do DOE (Berkeley Lab) e do Argonne National Laboratory estavam trabalhando em uma bateria de magnésio, que oferece maior densidade de energia do que o lítio, mas foram frustrados pela falta de boas opções para um eletrólito líquido, a maioria dos quais tendem a ser corrosivos contra outras partes da bateria. "Magnésio é uma tecnologia tão nova, não tem nenhum eletrólito líquido bom, "disse Gerbrand Ceder, cientista sênior do Berkeley Lab. "Nós pensamos, por que não pular e fazer um eletrólito de estado sólido? "

O material que eles criaram, espinélio de seleneto de magnésio e escândio, tem mobilidade de magnésio comparável a eletrólitos de estado sólido para baterias de lítio. Suas descobertas foram relatadas em Nature Communications em um artigo intitulado, "Alta mobilidade de magnésio em calcogenetos espinélios ternários." JCESR, um Centro de Inovação DOE, patrocinou o estudo, e os autores principais são Pieremanuele Canepa e Shou-Hang Bo, bolsistas de pós-doutorado no Berkeley Lab.

"Com a ajuda de um esforço concentrado reunindo metodologias de ciência de materiais computacionais, síntese, e uma variedade de técnicas de caracterização, identificamos uma nova classe de condutores sólidos que podem transportar íons de magnésio a uma velocidade sem precedentes, "Canepa disse.

Colaboração com MIT e Argonne

A equipe de pesquisa também incluiu cientistas do MIT, quem forneceu recursos computacionais, e Argonne, que forneceu confirmação experimental chave do material espinélio de seleneto de magnésio e escândio para documentar sua estrutura e função.

Co-autor Baris Key, um químico pesquisador em Argonne, conduziu experimentos de espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR). Esses testes foram um dos primeiros passos para provar experimentalmente que os íons de magnésio podiam se mover através do material tão rapidamente quanto os estudos teóricos haviam previsto.

“Foi crucial confirmar o rápido salto de magnésio experimentalmente. Não é sempre que a teoria e o experimento concordam intimamente entre si, "Disse a chave." Os experimentos de NMR de estado sólido para esta química foram muito desafiadores e não seriam possíveis sem recursos dedicados e uma fonte de financiamento como o JCESR. Como mostramos neste estudo, uma compreensão aprofundada da estrutura de curto e longo alcance e da dinâmica de íons será a chave para a pesquisa de baterias de íons de magnésio. "

NMR é semelhante à ressonância magnética (MRI), que é usado rotineiramente em ambientes médicos, onde mostra átomos de hidrogênio de água nos músculos humanos, nervos, tecido adiposo, e outras substâncias biológicas. Mas os pesquisadores também podem ajustar a frequência de NMR para detectar outros elementos, incluindo os íons de lítio ou magnésio que são encontrados nos materiais da bateria.

Os dados de NMR do material de seleneto de magnésio e escândio, Contudo, envolveu material de estrutura desconhecida com propriedades complexas, tornando-os difíceis de interpretar.

Canepa observou os desafios de testar materiais tão novos. "Os protocolos são basicamente inexistentes, ", disse ele." Estas descobertas só foram possíveis combinando uma abordagem multi-técnica (NMR de estado sólido e medições de síncrotron em Argonne), além da caracterização eletroquímica convencional. "

Fazendo o impossível

A equipe planeja fazer mais trabalho para usar o condutor em uma bateria. "Isso provavelmente tem um longo caminho a percorrer antes que você possa fazer uma bateria com ele, mas é a primeira demonstração de que você pode fazer materiais de estado sólido com uma mobilidade de magnésio realmente boa através dele, "Ceder disse." Pensa-se que o magnésio se move lentamente na maioria dos sólidos, então ninguém pensou que isso seria possível. "

Adicionalmente, a pesquisa identificou dois fenômenos fundamentais relacionados que podem afetar significativamente o desenvolvimento de eletrólitos sólidos de magnésio em um futuro próximo, nomeadamente, o papel dos defeitos anti-site e a interação da condutividade eletrônica e de magnésio, ambos publicados recentemente na Chemistry of Materials.

Bo, agora um professor assistente na Shanghai Jiao Tong University, disse que a descoberta pode ter um efeito dramático no cenário energético. “Este trabalho reuniu uma grande equipa de cientistas de várias disciplinas científicas, e deu o primeiro passo no desafio formidável de construir uma bateria de magnésio de estado sólido, "ele disse." Embora atualmente em sua infância, esta tecnologia emergente pode ter um impacto transformador no armazenamento de energia em um futuro próximo. "

Gopalakrishnan Sai Gautam, outro co-autor que era afiliado do Berkeley Lab e agora está em Princeton, disse que a abordagem de equipe possibilitada por um hub DOE como o JCESR era crítica. "O trabalho mostra a importância de usar uma variedade de técnicas teóricas e experimentais em um ambiente altamente colaborativo para fazer descobertas fundamentais importantes, " ele disse.

Ceder estava animado com as perspectivas da descoberta, mas alertou que ainda há trabalho a ser feito. "Há enormes esforços na indústria para fazer uma bateria de estado sólido. É o Santo Graal porque você teria a bateria segura definitiva. Mas ainda temos trabalho a fazer. Este material mostra uma pequena quantidade de vazamento de elétrons, que deve ser removido antes de ser usado em uma bateria. "