Gli elettroliti delle batterie che utilizzano chelanti a base di ammina che solvatano cationi bivalenti hanno dimostrato una placcatura/stripping stabile e altamente reversibile del metallo Mg, come illustrato dall'immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) dell'anodo di Mg ciclato mostrato a sinistra insieme a un guscio di solvatazione rappresentativo del Mg2+ cazione. Lo stesso elettrolita ha mostrato un'intercalazione/deintercalazione reversibile in catodi di ossido di metallo ad alta tensione come Mg0.15MnO2 (mostrato a destra). Le batterie costituite da magnesio metallico accoppiato con catodo Mg0.15MnO2 hanno raggiunto una densità di energia di 420 Wh kg-1 a livello degli elettrodi. Credito:Nina Borodin, Singyuk Hou, Xiao Ji
Un team di ricercatori che lavorano presso l'Università del Maryland ha sviluppato una strategia di progettazione di elettroliti per realizzare batterie a metallo bivalente. Nel loro articolo pubblicato sulla rivista Scienza , il gruppo descrive la risoluzione dei problemi associati alle batterie metalliche ricaricabili bivalenti e la strategia che hanno sviluppato per superarli. Pengjian Zuo e Geping Yin con l'Harbin Institute of Technology delineano problemi con lo sviluppo di batterie a metallo bivalente e descrivono il lavoro svolto dal team del Maryland in un articolo pubblicato nello stesso numero della rivista.
Gli atomi dei metalli bivalenti possono combinarsi con due atomi di idrogeno. Alcuni dei più noti sono il calcio e il magnesio, due metalli che sono molto più abbondanti e facilmente accessibili del litio, che è comunemente usato nelle batterie. Quindi i ricercatori hanno cercato un modo per usarli nelle batterie ricaricabili. Basse tensioni di lavoro e prestazioni di ciclo inferiori a quelle desiderate sono ostacoli dovuti alla mancanza di un elettrolita che non forma strati sull'anodo. Ci sono stati anche problemi con la migrazione dei metalli nel catodo. In questo nuovo sforzo, i ricercatori hanno sviluppato una strategia di progettazione che supera questi problemi per il magnesio.
La strategia prevedeva l'uso di un design elettrolitico versatile in cui gli agenti chelanti interagiscono con i cationi, che ha migliorato la reversibilità della batteria e la sua cinetica di trasferimento di carica. I ricercatori hanno notato che l'interfaccia solvente del magnesio è generalmente stabile rispetto al litio. Ciò li ha portati a cercare e trovare un gruppo di chelanti metossietil-ammina che tendono a promuovere il trasferimento di carica senza reazioni collaterali, poiché i ligandi si attaccano agli atomi nel metallo in più posizioni. Nella prova, le batterie usando i chelanti, erano capaci di stabili, ciclo reversibile di entrambe le cellule RCB e RMB, e avevano sia alta densità che alta efficienza. I ricercatori suggeriscono che il loro lavoro fornisce una strategia di progettazione per l'utilizzo di metalli bivalenti per rendere lavorabili, batterie ricaricabili.
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