Le batterie al magnesio offrono la promessa di alimentare in sicurezza la vita moderna, a differenza delle tradizionali batterie agli ioni di litio, non sono infiammabili o soggetti a esplosioni, ma la loro capacità di immagazzinare energia è stata limitata.

I ricercatori hanno riportato il 24 agosto sulla rivista Comunicazioni sulla natura la scoperta di un nuovo design per il catodo della batteria, aumentando drasticamente la capacità di stoccaggio e capovolgendo la saggezza convenzionale secondo cui il legame magnesio-cloruro deve essere rotto prima di inserire il magnesio nell'ospite.

"Stiamo combinando un catodo nanostrutturato e una nuova comprensione dell'elettrolita di magnesio, " ha detto Yan Yao, professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università di Houston e autore principale dell'articolo. "Questo è nuovo."

Il lavoro è stato concepito per la prima volta da Yao e dal borsista post-dottorato Hyun Deog Yoo nel 2014; il progetto è durato diversi anni e ha coinvolto scienziati di tre università e tre laboratori nazionali, lavorando sia sperimentalmente che teoricamente.

"Lo ione magnesio è noto per essere difficile da inserire in un ospite, " disse Yo, primo autore sulla carta. "Prima di tutto, è molto difficile rompere i legami magnesio-cloruro. Più di quello, gli ioni magnesio così prodotti si muovono molto lentamente nell'ospite. Ciò riduce del tutto l'efficienza della batteria."

La nuova batteria immagazzina energia inserendo il monocloruro di magnesio in un host, come il disolfuro di titanio. Mantenendo il legame magnesio-cloruro, Yao ha detto, il catodo ha dimostrato una diffusione molto più rapida rispetto alle tradizionali versioni in magnesio.

I ricercatori riferiscono che la nuova batteria ha una capacità di archiviazione di 400 mAh/g, rispetto ai 100 mAh/g delle precedenti batterie al magnesio. Le batterie commerciali agli ioni di litio hanno una capacità del catodo di circa 200 mAh/g, ha detto Yao, che è anche un investigatore principale presso il Texas Center for Superconductivity all'UH.

La tensione della nuova batteria rimane bassa a circa un volt. Ciò è paragonabile a tre o quattro volt per le batterie al litio.

L'alta tensione, insieme alla loro elevata densità di energia, ha reso le batterie agli ioni di litio lo standard. Ma il litio è costoso e può sviluppare falle nella sua struttura interna, una condizione nota come crescita dei dendriti, che può causare l'incendio delle batterie. Come una risorsa abbondante della terra, il magnesio è più economico e non forma dendriti. Fino ad ora, però, è stato frenato dalla necessità di un catodo migliore, l'elettrodo da cui scorre la corrente, e di elettroliti più efficienti, il mezzo attraverso il quale scorre la carica ionica tra catodo e anodo.

Questo lavoro suggerisce una soluzione.

Il tasto, Yoo ha detto, consiste nell'espandere il disolfuro di titanio per consentire l'inserimento del cloruro di magnesio, un processo in quattro fasi chiamato intercalazione, piuttosto che rompere i legami magnesio-cloruro e inserire il solo magnesio. Il mantenimento del legame cloruro di magnesio raddoppiava la carica che il catodo poteva immagazzinare.

Le molecole di monocloruro di magnesio sono troppo grandi per essere inserite nel disolfuro di titanio con metodi convenzionali. Basandosi sul loro lavoro precedente, i ricercatori hanno creato una nanostruttura aperta espandendo le lacune nel disolfuro di titanio del 300%, utilizzando "pilastri" organici.

L'apertura era ancora piccola, aumentato da 0,57 nanometri a 1,8 nanometri, ma Yao ha detto che ha permesso di inserire il cloruro di magnesio.

"Modellazione teorica combinata, analisi spettroscopica, e lo studio elettrochimico rivelano la cinetica di diffusione rapida dei cationi monocloruro di magnesio senza scissione del legame cloruro di magnesio, " scrivono i ricercatori. "... La grande capacità accompagna ottime prestazioni di velocità e ciclismo anche a temperatura ambiente, aprendo possibilità per una varietà di host di intercalazione efficaci per batterie a ioni multivalenti".

"Speriamo che questa sia una strategia generale, " disse Yoo. "Inserendo vari ioni poliatomici in host a più alto voltaggio, alla fine miriamo a creare batterie a maggiore energia a un prezzo inferiore, soprattutto per i veicoli elettrici."