O desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia altamente eficientes que podem armazenar energia renovável é crucial para um futuro sustentável. No mundo de hoje, o íon de lítio recarregável em estado sólido (Li ⁺ ) as baterias são o estado da arte. Mas o lítio é um metal de terras raras, e a dependência da sociedade do elemento provavelmente levará a um rápido declínio nos recursos e subsequentes aumentos de preços.
Íon de magnésio (Mg ²⁺ As baterias baseadas em ) ganharam força como alternativa ao Li ⁺ . A crosta terrestre contém amplo magnésio e Mg ²⁺ Diz-se que os dispositivos de energia baseados em energia têm alta densidade de energia, alta segurança e baixo custo. Mas a ampla aplicação do Mg ²⁺ é limitado por sua baixa condutividade em sólidos à temperatura ambiente. Mg ²⁺ tem baixa condutividade no estado sólido porque íons positivos bivalentes (2+) experimentam fortes interações com seus íons negativos vizinhos em um cristal sólido, impedindo sua migração através do material.

Este obstáculo foi recentemente superado por uma equipe de pesquisa da Universidade de Ciência de Tóquio (TUS). Em seu novo estudo publicado on-line em 4 de maio de 2022 e em 18 de maio de 2022 no volume 144 da edição 19 do Journal of the American Chemical Society , eles relatam pela primeira vez, um estado sólido Mg ²⁺ condutor com condutividade superiônica de 10 ⁻³ S cm ⁻¹ (o limite para aplicação prática em baterias de estado sólido). Essa magnitude de condutividade para Mg ²⁺ condutores é o mais alto relatado até o momento. De acordo com o professor associado júnior Masaaki Sadakiyo da TUS, que liderou o estudo, "neste trabalho, exploramos uma classe de materiais chamados estruturas metal-orgânicas (MOFs). MOFs têm estruturas cristalinas altamente porosas, que fornecem o espaço para a migração eficiente de os íons incluídos. Aqui, também introduzimos uma 'molécula convidada', acetonitrila, nos poros do MOF, que conseguiu acelerar fortemente a condutividade do Mg ²⁺ ." O grupo de pesquisa incluiu ainda o Sr. Yuto Yoshida, também da TUS, o professor Teppei Yamada da Universidade de Tóquio e o professor assistente Takashi Toyao e o professor Ken-ichi Shimizu da Universidade de Hokkaido. O artigo foi disponibilizado on-line em 4 de maio, 2022 e foi publicado no Volume 144 Edição 19 da revista em 18 de maio de 2022

A equipe usou um MOF conhecido como MIL-101 como estrutura principal e, em seguida, encapsulado Mg ²⁺ íons em seus nanoporos. No eletrólito baseado em MOF resultante, Mg ²⁺ foi empacotado frouxamente, permitindo assim a migração de Mg bivalente ²⁺ íons. Para aumentar ainda mais a condutividade iônica, a equipe de pesquisa expôs o eletrólito a vapores de acetonitrila, que foram adsorvidos pelo MOF como moléculas convidadas.

A equipe então submeteu as amostras preparadas a um teste de impedância de corrente alternada (CA) para medir a condutividade iônica. Eles descobriram que o Mg ²⁺ eletrólito exibiu uma condutividade superiônica de 1,9 × 10 ⁻³ S cm ⁻¹ . Esta é a maior condutividade já relatada para um sólido cristalino contendo Mg ²⁺ .

Para entender o mecanismo por trás dessa alta condutividade, os pesquisadores realizaram medições espectroscópicas de infravermelho e isotérmicas de adsorção no eletrólito. Os testes revelaram que as moléculas de acetonitrila adsorvidas na estrutura permitiram a migração eficiente do Mg ²⁺ íons através do corpo do eletrólito sólido.

Essas descobertas deste estudo não apenas revelam o novo Mg baseado em MOF ²⁺ condutor como um material adequado para aplicações de bateria, mas também fornece informações críticas sobre o desenvolvimento de futuras baterias de estado sólido. "Por muito tempo, as pessoas acreditaram que íons bivalentes ou de alta valência não podem ser transferidos eficientemente através de um sólido. condutor de condutividade está bem dentro da pesquisa", explica o Dr. Sadakiyo.

Quando perguntado sobre os planos futuros do grupo de pesquisa, ele revela que eles “esperam contribuir ainda mais para a sociedade desenvolvendo um condutor bivalente com condutividade iônica ainda maior”. + Explorar mais

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