Primi principi Barriere alla migrazione di Mg e Zn nei solfuri, selenidi, e tellururi AX2Z4 spinelli (con A = Mg o Zn). un percorso di migrazione tet-oct-tet nel framework AX2Z4, con l'energia del tet, ottobre, e siti di transizione indicati da E tet, e ott, E un, rispettivamente. E a corrisponde all'energia di migrazione. b Effetto della dimensione dell'anione sulla faccia condivisa (triangolare) tra i siti tet e oct. c e d hanno calcolato le barriere migratorie di Mg e Zn (barre arancioni in meV) nello spinello AX2Z4 e volume per anione (barre blu), rispettivamente, con X = Sc, si, e dentro, e Z = S, Se e Te. e Densità di probabilità di Mg in MgSc2Se4 a 900 K ottenuta da simulazioni di dinamica molecolare ab initio (AIMD). f diffusività di Mg come estrapolate da AIMD in MgSc2Se4 (arancione) e MgY2Se4 (blu), con linee tratteggiate e barre di errore che indicano adattamenti di Arrhenius e SD, rispettivamente. Credito: Comunicazioni sulla natura (2017). DOI:10.1038/s41467-017-01772-1
Un team di scienziati del Department of Energy (DOE) presso il Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) ha scoperto il più veloce conduttore a stato solido di ioni di magnesio, un passo importante verso la realizzazione di batterie agli ioni di magnesio a stato solido che siano sia ad alta densità energetica che sicure.
L'elettrolita, che trasporta la carica avanti e indietro tra il catodo e l'anodo della batteria, è un liquido in tutte le batterie commerciali, che li rende potenzialmente infiammabili, soprattutto nelle batterie agli ioni di litio. Un conduttore a stato solido, che ha il potenziale per diventare un elettrolita, sarebbe molto più resistente al fuoco.
I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell'Argonne National Laboratory del DOE stavano lavorando su una batteria al magnesio, che offre una maggiore densità di energia rispetto al litio, ma sono stati ostacolati dalla mancanza di buone opzioni per un elettrolita liquido, la maggior parte dei quali tende ad essere corrosiva contro altre parti della batteria. "Il magnesio è una tecnologia così nuova, non ha buoni elettroliti liquidi, " disse Gerbrand Ceder, uno scienziato senior della facoltà del Berkeley Lab. "Abbiamo pensato, perché non scavalcare e fare un elettrolita allo stato solido?"
Il materiale che hanno inventato, spinello del seleniuro dello scandio del magnesio, ha una mobilità del magnesio paragonabile agli elettroliti a stato solido per le batterie al litio. I loro risultati sono stati riportati in Comunicazioni sulla natura in un documento intitolato, "Elevata mobilità del magnesio nei calcogenuri di spinello ternario". JCESR, un hub di innovazione DOE, ha sponsorizzato lo studio, e gli autori principali sono Pieremanuele Canepa e Shou-Hang Bo, borsisti post-dottorato al Berkeley Lab.
"Con l'aiuto di uno sforzo concertato che riunisce metodologie di scienza dei materiali computazionali, sintesi, e una varietà di tecniche di caratterizzazione, abbiamo identificato una nuova classe di conduttori solidi in grado di trasportare ioni magnesio a velocità senza precedenti, " Disse Canepa.
Collaborazione con MIT e Argonne
Il team di ricerca comprendeva anche scienziati del MIT, che ha fornito risorse di calcolo, e Argonne, che ha fornito una conferma sperimentale chiave del materiale dello spinello seleniuro di magnesio scandio per documentare la sua struttura e funzione.
Co-autore Baris Key, un chimico di ricerca ad Argonne, ha condotto esperimenti di spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR). Questi test sono stati tra i primi passi per dimostrare sperimentalmente che gli ioni di magnesio potevano muoversi attraverso il materiale con la rapidità prevista dagli studi teorici.
"Era fondamentale confermare sperimentalmente il rapido salto di magnesio. Non capita spesso che la teoria e l'esperimento coincidano strettamente l'uno con l'altro, " Key ha detto. "Gli esperimenti NMR allo stato solido per questa chimica sono stati molto impegnativi e non sarebbero stati possibili senza risorse dedicate e una fonte di finanziamento come JCESR. Come abbiamo mostrato in questo studio, una comprensione approfondita della struttura a corto e lungo raggio e della dinamica ionica sarà la chiave per la ricerca sulle batterie agli ioni di magnesio".
La risonanza magnetica è simile alla risonanza magnetica (MRI), che viene abitualmente utilizzato in ambito medico, dove mostra gli atomi di idrogeno dell'acqua nei muscoli umani, nervi, tessuto adiposo, e altre sostanze biologiche. Ma i ricercatori possono anche sintonizzare la frequenza NMR per rilevare altri elementi, compresi gli ioni di litio o magnesio che si trovano nei materiali delle batterie.
I dati NMR del materiale seleniuro di magnesio scandio, però, materiale coinvolto di struttura sconosciuta con proprietà complesse, rendendoli difficili da interpretare.
Canepa ha notato le sfide nel testare materiali così nuovi. "I protocolli sono fondamentalmente inesistenti, " ha detto. "Questi risultati sono stati possibili solo combinando un approccio multi-tecnica (misurazioni NMR a stato solido e sincrotrone ad Argonne) oltre alla caratterizzazione elettrochimica convenzionale".
Fare l'impossibile
Il team prevede di fare ulteriori lavori per utilizzare il conduttore in una batteria. "Questo probabilmente ha una lunga strada da percorrere prima che tu possa farne una batteria, ma è la prima dimostrazione che puoi realizzare materiali a stato solido con una mobilità del magnesio davvero buona attraverso di esso, " ha detto Ceder. "Si pensa che il magnesio si muova lentamente nella maggior parte dei solidi, quindi nessuno pensava che questo sarebbe stato possibile."
Inoltre, la ricerca ha identificato due fenomeni fondamentali correlati che potrebbero influenzare significativamente lo sviluppo di elettroliti solidi di magnesio nel prossimo futuro, vale a dire, il ruolo dei difetti anti-sito e l'interazione tra elettronica e conducibilità del magnesio, entrambi pubblicati di recente su Chemistry of Materials.
Bo, ora assistente professore alla Shanghai Jiao Tong University, ha affermato che la scoperta potrebbe avere un effetto drammatico sul panorama energetico. "Questo lavoro ha riunito un grande team di scienziati di varie discipline scientifiche, e ha affrontato per la prima volta la formidabile sfida di costruire una batteria al magnesio a stato solido, " ha detto. "Anche se attualmente nella sua infanzia, questa tecnologia emergente potrebbe avere un impatto trasformativo sullo stoccaggio di energia nel prossimo futuro".
Gopalakrishnan Sai Gautam, un altro coautore che era affiliato al Berkeley Lab ed è ora a Princeton, ha affermato che l'approccio di squadra reso possibile da un hub DOE come JCESR è stato fondamentale. "Il lavoro mostra l'importanza di utilizzare una varietà di tecniche teoriche e sperimentali in un ambiente altamente collaborativo per fare importanti scoperte fondamentali, " Egli ha detto.
Ceder era entusiasta delle prospettive per la scoperta, ma ha avvertito che c'è ancora del lavoro da fare. "Ci sono enormi sforzi nell'industria per realizzare una batteria a stato solido. È il Santo Graal perché avresti la batteria sicura per eccellenza. Ma abbiamo ancora del lavoro da fare. Questo materiale mostra una piccola quantità di perdite di elettroni, che deve essere rimosso prima di poter essere utilizzato in una batteria."
