Gli scienziati del National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell'Energia hanno scoperto un nuovo approccio per lo sviluppo di una batteria ricaricabile al magnesio non acquosa.

Un documento di prova pubblicato su Chimica della natura ha spiegato in dettaglio come gli scienziati hanno aperto la strada a un metodo per consentire la chimica reversibile del magnesio metallico negli elettroliti non corrosivi a base di carbonato e hanno testato il concetto in una cella prototipo. La tecnologia possiede potenziali vantaggi rispetto alle batterie agli ioni di litio, in particolare, maggiore densità di energia, maggiore stabilità, e costo inferiore.

Ricercatori NREL (da sinistra) Seoung-Bum Son, Steve Harvey, Andrew Norman e Chunmei Ban sono coautori del Chimica della natura carta bianca, "Un'interfase artificiale consente la chimica del magnesio reversibile negli elettroliti di carbonato" lavorando con una spettrometria di massa di ioni secondari a tempo di volo. Il dispositivo consente loro di studiare il degrado del materiale e i meccanismi di guasto su scala da micro a nano. (Foto di Dennis Schroeder / NREL)

"Essendo scienziati, pensiamo sempre:cosa c'è dopo?" ha detto Chunmei Ban, uno scienziato nel dipartimento di scienza dei materiali del NREL e corrispondente autore dell'articolo, "Un'interfase artificiale consente la chimica del magnesio reversibile negli elettroliti di carbonato". La tecnologia dominante delle batterie agli ioni di litio si sta avvicinando alla quantità massima di energia che può essere immagazzinata per volume, lei disse, quindi "c'è un urgente bisogno di esplorare nuove chimiche delle batterie" in grado di fornire più energia a un costo inferiore.

"Questa scoperta fornirà una nuova strada per la progettazione delle batterie al magnesio, " disse Seoung-Bum Son, un ex postdoc NREL e scienziato presso NREL e primo autore del documento. Altri coautori di NREL sono Steve Harvey, Adam Stokes, e Andrea Norman.

Una reazione elettrochimica alimenta una batteria mentre gli ioni fluiscono attraverso un liquido (elettrolita) dall'elettrodo negativo (catodo) all'elettrodo positivo (anodo). Per le batterie al litio, l'elettrolita è una soluzione salina contenente ioni di litio. Ciò che è anche importante, è la reazione chimica deve essere reversibile in modo che la batteria possa essere ricaricata.

Le batterie al magnesio (Mg) contengono teoricamente quasi il doppio di energia per volume rispetto alle batterie agli ioni di litio. Ma la ricerca precedente ha incontrato un ostacolo:le reazioni chimiche dell'elettrolita carbonato convenzionale hanno creato una barriera sulla superficie del magnesio che ha impedito alla batteria di ricaricarsi. Gli ioni magnesio potrebbero fluire in senso inverso attraverso un elettrolita liquido altamente corrosivo, ma ciò precludeva la possibilità di una batteria al magnesio ad alta tensione di successo.

Nel cercare di superare questi ostacoli, i ricercatori hanno sviluppato un'interfase artificiale solido-elettrolita da poliacrilonitrile e sale di ioni di magnesio che proteggeva la superficie dell'anodo di magnesio. Questo anodo protetto ha dimostrato prestazioni notevolmente migliorate.

Le illustrazioni affiancate mostrano come gli scienziati NREL hanno risolto un problema con la realizzazione di una batteria ricaricabile al magnesio.

Gli scienziati hanno assemblato celle prototipo per dimostrare la robustezza dell'interfase artificiale e hanno trovato risultati promettenti:la cella con l'anodo protetto ha consentito la chimica reversibile del Mg nell'elettrolita carbonato, cosa mai dimostrata prima. La cella con questo anodo di Mg protetto ha inoltre fornito più energia rispetto al prototipo senza protezione e ha continuato a farlo durante cicli ripetuti. Per di più, il gruppo ha dimostrato la ricaricabilità della batteria al magnesio-metallo, che fornisce una strada senza precedenti per affrontare simultaneamente l'incompatibilità anodo/elettrolita e le limitazioni sugli ioni che lasciano il catodo.

Oltre ad essere più facilmente disponibile del litio, il magnesio ha altri potenziali vantaggi rispetto alla tecnologia delle batterie più consolidata. Primo, il magnesio cede due elettroni a quello del litio, dandogli così il potenziale per fornire quasi il doppio di energia rispetto al litio. E secondo, le batterie al magnesio-metallo non subiscono la crescita di dendriti, che sono cristalli che possono provocare cortocircuiti e conseguentemente pericolosi surriscaldamenti e persino incendi, rendendo le potenziali batterie al magnesio molto più sicure delle batterie agli ioni di litio.