Lo sviluppo di dispositivi di accumulo di energia altamente efficienti in grado di immagazzinare energia rinnovabile è fondamentale per un futuro sostenibile. Nel mondo di oggi, gli ioni di litio ricaricabili a stato solido (Li ⁺ ) le batterie sono lo stato dell'arte. Ma il litio è un metallo delle terre rare ed è probabile che la dipendenza della società dall'elemento porti a un rapido calo delle risorse e ai successivi aumenti dei prezzi.

Ione magnesio (Mg ²⁺ Le batterie basate su ) hanno guadagnato slancio come alternativa a Li ⁺ . La crosta terrestre contiene abbondante magnesio e Mg ²⁺ Si dice che i dispositivi basati sull'energia abbiano densità di energia elevate, elevata sicurezza e basso costo. Ma l'ampia applicazione di Mg ²⁺ è limitato dalla sua scarsa conducibilità nei solidi a temperatura ambiente. Mg ²⁺ ha una scarsa conduttività allo stato solido perché gli ioni positivi bivalenti (2+) sperimentano forti interazioni con i loro vicini ioni negativi in ​​un cristallo solido, impedendo la loro migrazione attraverso il materiale.

Questo ostacolo è stato recentemente superato da un gruppo di ricerca della Tokyo University of Science (TUS). Nel loro nuovo studio pubblicato online il 4 maggio 2022 e il 18 maggio 2022 nel volume 144 numero 19 del Journal of the American Chemical Society , riportano per la prima volta un Mg ²⁺ allo stato solido conduttore con conducibilità superionica di 10 ⁻³ S cm ⁻¹ (la soglia per l'applicazione pratica nelle batterie allo stato solido). Questa grandezza di conducibilità per Mg ²⁺ conduttori è il più alto segnalato fino ad oggi. Secondo il Professore Associato Junior Masaaki Sadakiyo di TUS, che ha guidato lo studio, "In questo lavoro, abbiamo sfruttato una classe di materiali chiamati strutture metallo-organiche (MOF). I MOF hanno strutture cristalline altamente porose, che forniscono lo spazio per una migrazione efficiente di gli ioni inclusi. Qui, abbiamo inoltre introdotto una "molecola ospite", l'acetonitrile, nei pori del MOF, che è riuscita ad accelerare fortemente la conduttività del Mg ²⁺ Il gruppo di ricerca comprendeva inoltre il signor Yuto Yoshida, anche lui del TUS, il professor Teppei Yamada dell'Università di Tokyo, e l'assistente del professor Takashi Toyao e il professor Ken-ichi Shimizu dell'Università di Hokkaido. Il documento è stato reso disponibile online il 4 maggio, 2022 ed è stato pubblicato nel volume 144 numero 19 della rivista il 18 maggio 2022

Il team ha utilizzato un MOF noto come MIL-101 come framework principale e quindi ha incapsulato Mg ²⁺ ioni nei suoi nanopori. Nel risultante elettrolita a base di MOF, Mg ²⁺ è stato confezionato in modo lasco, consentendo così la migrazione del Mg bivalente ²⁺ ioni. Per migliorare ulteriormente la conduttività ionica, il team di ricerca ha esposto l'elettrolita a vapori di acetonitrile, che sono stati adsorbiti dal MOF come molecole ospiti.

Il team ha quindi sottoposto i campioni preparati a un test di impedenza di corrente alternata (CA) per misurare la conduttività ionica. Hanno scoperto che il Mg ²⁺ l'elettrolita ha mostrato una conduttività superionica di 1,9 × 10 ⁻³ S cm ⁻¹ . Questa è la conduttività più alta mai segnalata per un solido cristallino contenente Mg ²⁺ .

Per comprendere il meccanismo alla base di questa elevata conduttività, i ricercatori hanno effettuato misurazioni spettroscopiche a infrarossi e misurazioni dell'isoterma di adsorbimento sull'elettrolita. I test hanno rivelato che le molecole di acetonitrile adsorbite nella struttura consentivano l'efficiente migrazione del Mg ²⁺ ioni attraverso il corpo dell'elettrolita solido.

Questi risultati di questo studio non solo rivelano il nuovo Mg ²⁺ basato su MOF conduttore come materiale adatto per applicazioni di batterie, ma fornisce anche informazioni critiche sullo sviluppo di future batterie a stato solido. "Per molto tempo, le persone hanno creduto che gli ioni bivalenti o di valenza superiore non potessero essere trasferiti in modo efficiente attraverso un solido. In questo studio, abbiamo dimostrato che se la struttura cristallina e l'ambiente circostante sono ben progettati, allora uno stato solido alto- il conduttore di conducibilità rientra nella ricerca", spiega il dottor Sadakiyo.

Alla domanda sui piani futuri del gruppo di ricerca, rivela che "sperano di contribuire ulteriormente alla società sviluppando un conduttore bivalente con una conduttività ionica ancora più elevata". + Esplora ulteriormente

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