Batterie ricaricabili a base di magnesio, al posto del litio, hanno il potenziale per estendere l'autonomia dei veicoli elettrici imballando più energia in batterie più piccole. Ma gli ostacoli chimici imprevisti hanno rallentato il progresso scientifico.

E i punti in cui il solido incontra il liquido - dove gli elettrodi della batteria caricati in modo opposto interagiscono con la miscela chimica circostante nota come elettrolita - sono i punti problematici noti.

Ora, un team di ricerca presso il Joint Center for Energy Storage Research del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, guidato da scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), ha scoperto una serie sorprendente di reazioni chimiche che coinvolgono il magnesio che degradano le prestazioni della batteria anche prima che la batteria possa essere ricaricata.

I risultati potrebbero essere rilevanti per altri materiali della batteria, e potrebbe indirizzare la progettazione delle batterie di prossima generazione verso soluzioni alternative che evitino queste insidie ​​appena identificate.

Il team ha utilizzato esperimenti a raggi X, modellazione teorica, e simulazioni al supercomputer per sviluppare una comprensione completa della rottura chimica di un elettrolita liquido che si verifica entro decine di nanometri dalla superficie di un elettrodo che degrada le prestazioni della batteria. I loro risultati sono pubblicati online sulla rivista Chimica dei materiali .

La batteria che stavano testando presentava il magnesio metallico come elettrodo negativo (l'anodo) a contatto con un elettrolita composto da un liquido (un tipo di solvente noto come diglima) e un sale disciolto, Mg(TFSI)2.

Sebbene si ritenesse che la combinazione di materiali utilizzati fosse compatibile e non reattiva nello stato di riposo della batteria, esperimenti presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab, una sorgente di raggi X chiamata sincrotrone, ha scoperto che non è così e ha condotto lo studio in nuove direzioni.

"La gente pensava che i problemi con questi materiali si fossero verificati durante la ricarica della batteria, ma invece gli esperimenti indicavano che c'era già qualche attività, "ha detto David Prendergast, che dirige la Teoria dei Materiali Nanostrutturati Facility presso la Molecular Foundry ed è stato uno dei leader dello studio.

"A quel punto è diventato molto interessante, " ha detto. "Che cosa potrebbe causare queste reazioni tra sostanze che dovrebbero essere stabili in queste condizioni?"

I ricercatori di Molecular Foundry hanno sviluppato simulazioni dettagliate del punto in cui l'elettrodo e l'elettrolita si incontrano, noto come interfaccia, indicando che nessuna reazione chimica spontanea dovrebbe verificarsi in condizioni ideali, o. Le simulazioni, anche se, non ha tenuto conto di tutti i dettagli chimici.

"Prima delle nostre indagini, " ha detto Ethan Crumlin, uno scienziato della SLA che ha coordinato gli esperimenti a raggi X e ha co-diretto lo studio con Prendergast, "c'erano sospetti sul comportamento di questi materiali e possibili connessioni a scarse prestazioni della batteria, ma non erano stati confermati in una batteria funzionante."

Batterie agli ioni di litio comunemente in commercio, che alimentano molti dispositivi elettronici portatili (come telefoni cellulari, computer portatili, ed elettroutensili) e una flotta crescente di veicoli elettrici, ioni di litio navetta - atomi di litio che si caricano spargendo un elettrone - avanti e indietro tra i due elettrodi della batteria. Questi materiali per elettrodi sono porosi su scala atomica e vengono alternativamente caricati o svuotati di ioni di litio mentre la batteria viene caricata o scaricata.

In questo tipo di batteria, l'elettrodo negativo è tipicamente composto da carbonio, che ha una capacità più limitata di immagazzinare questi ioni di litio rispetto ad altri materiali.

Quindi aumentare la densità del litio immagazzinato utilizzando un altro materiale renderebbe più leggero, più piccoli, batterie più potenti. Usando il litio metallico nell'elettrodo, Per esempio, può contenere più ioni di litio nello stesso spazio, sebbene sia una sostanza altamente reattiva che brucia quando esposta all'aria, e richiede ulteriori ricerche su come imballarlo al meglio e proteggerlo per la stabilità a lungo termine.

Il magnesio metallico ha una densità di energia maggiore rispetto al litio metallico, il che significa che puoi potenzialmente immagazzinare più energia in una batteria della stessa dimensione se usi il magnesio anziché il litio.

Il magnesio è anche più stabile del litio. La sua superficie forma uno strato "ossidato" autoprotettivo in quanto reagisce con l'umidità e l'ossigeno presenti nell'aria. Ma all'interno di una batteria, si ritiene che questo strato ossidato riduca l'efficienza e riduca la durata della batteria, quindi i ricercatori stanno cercando modi per evitarne la formazione.

Per esplorare più in dettaglio la formazione di questo strato, il team ha impiegato una tecnica a raggi X unica sviluppata di recente presso la SLA, chiamato APXPS (spettroscopia fotoelettronica a raggi X a pressione ambiente). Questa nuova tecnica è sensibile alla chimica che si verifica all'interfaccia di un solido e di un liquido, che lo rende uno strumento ideale per esplorare la chimica della batteria sulla superficie dell'elettrodo, dove incontra l'elettrolita liquido.

Anche prima che una corrente fosse alimentata nella batteria di prova, i risultati dei raggi X hanno mostrato segni di decomposizione chimica dell'elettrolita, in particolare all'interfaccia dell'elettrodo di magnesio. I risultati hanno costretto i ricercatori a ripensare alla loro immagine su scala molecolare di questi materiali e al modo in cui interagiscono.

Quello che hanno determinato è che l'auto-stabilizzazione, Il sottile strato superficiale di ossido che si forma sul magnesio presenta difetti e impurità che provocano reazioni indesiderate.

"Non è il metallo stesso, o i suoi ossidi, che sono un problema, " Ha detto Prendergast. "È il fatto che puoi avere imperfezioni nella superficie ossidata. Queste piccole disparità diventano siti di reazioni. Si nutre in questo modo".

Un ulteriore giro di simulazioni, che proponeva possibili difetti nella superficie del magnesio ossidato, hanno mostrato che i difetti nello strato superficiale ossidato dell'anodo possono esporre gli ioni di magnesio che poi agiscono come trappole per le molecole dell'elettrolita.

Se gli ioni idrossido fluttuanti - molecole contenenti un singolo atomo di ossigeno legato a un atomo di idrogeno che può formarsi quando tracce di acqua reagiscono con il magnesio metallico - incontrano queste molecole legate alla superficie, reagiranno.

Questo spreca elettrolita, asciugando la batteria nel tempo. E i prodotti di queste reazioni sporcano la superficie dell'anodo, compromettendo il funzionamento della batteria.

Ci sono volute diverse iterazioni avanti e indietro, tra i membri sperimentali e teorici del team, sviluppare un modello coerente con le misurazioni a raggi X. Gli sforzi sono stati supportati da milioni di ore di potenza di calcolo presso il National Energy Research Scientific Computing Center del Lab.

I ricercatori hanno notato l'importanza di avere accesso alle tecniche a raggi X, competenza su scala nanometrica, e risorse informatiche presso lo stesso Laboratorio.

I risultati potrebbero essere rilevanti per altri tipi di materiali per batterie, pure, compresi prototipi a base di litio o alluminio metallico. Prendergast ha detto, "Questo potrebbe essere un fenomeno più generale che definisce la stabilità dell'elettrolito".

Crumlin ha aggiunto, "Abbiamo già iniziato a eseguire nuove simulazioni che potrebbero mostrarci come modificare l'elettrolita per ridurre l'instabilità di queste reazioni". Allo stesso modo, Egli ha detto, potrebbe essere possibile adattare la superficie del magnesio per ridurre o eliminare parte della reattività chimica indesiderata.

"Piuttosto che permettergli di creare la propria interfaccia, potresti costruirlo tu stesso per controllare e stabilizzare la chimica dell'interfaccia, " ha aggiunto. "In questo momento porta a eventi incontrollabili".