Minuscolo, particelle disordinate di ossido di cromo e magnesio possono essere la chiave per la nuova tecnologia di accumulo dell'energia della batteria al magnesio, che potrebbe possedere una maggiore capacità rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio, trova i ricercatori dell'UCL e dell'Università dell'Illinois a Chicago.

Lo studio, pubblicato oggi in Nanoscala , segnala un nuovo, metodo scalabile per realizzare un materiale in grado di immagazzinare in modo reversibile ioni magnesio ad alta tensione, la caratteristica distintiva di un catodo.

Mentre è in una fase iniziale, i ricercatori affermano che si tratta di uno sviluppo significativo nel passaggio alle batterie a base di magnesio. Ad oggi, pochissimi materiali inorganici hanno mostrato rimozione e inserimento reversibili del magnesio, che è la chiave per il funzionamento della batteria al magnesio.

"La tecnologia agli ioni di litio sta raggiungendo il limite delle sue capacità, quindi è importante cercare altre sostanze chimiche che ci permettano di costruire batterie con una maggiore capacità di stoccaggio e un design più sottile, " ha detto il co-autore principale, Dott. Ian Johnson (Chimica dell'UCL).

"La tecnologia delle batterie al magnesio è stata promossa come una possibile soluzione per fornire batterie per telefoni e auto elettriche più durature, ma ottenere un materiale pratico da utilizzare come catodo è stata una sfida".

Un fattore che limita le batterie agli ioni di litio è l'anodo. Per motivi di sicurezza nelle batterie agli ioni di litio devono essere utilizzati anodi di carbonio a bassa capacità, in quanto l'utilizzo di anodi in puro litio metallico può causare pericolosi cortocircuiti e incendi.

In contrasto, gli anodi di magnesio metallico sono molto più sicuri, quindi associare il magnesio metallico con un materiale catodico funzionante renderebbe una batteria più piccola e immagazzinerebbe più energia.

Ricerche precedenti che utilizzavano modelli computazionali prevedevano che l'ossido di magnesio e cromo (MgCr2O4) potesse essere un candidato promettente per i catodi delle batterie al Mg.

Ispirato da questo lavoro, I ricercatori dell'UCL hanno prodotto un ~5 nm, materiale disordinato di ossido di cromo e magnesio in una reazione a temperatura molto rapida e relativamente bassa.

I collaboratori dell'Università dell'Illinois a Chicago hanno quindi confrontato la sua attività di magnesio con una convenzionale, materiale ordinato di ossido di cromo di magnesio ~7 nm di larghezza.

Hanno usato una serie di tecniche diverse tra cui la diffrazione dei raggi X, Spettroscopia di assorbimento dei raggi X e metodi elettrochimici all'avanguardia per vedere i cambiamenti strutturali e chimici quando i due materiali sono stati testati per l'attività del magnesio in una cella.

I due tipi di cristalli si sono comportati in modo molto diverso, con le particelle disordinate che mostrano l'estrazione e l'inserimento reversibili del magnesio, rispetto all'assenza di tale attività in più grandi, cristalli ordinati.

"Questo suggerisce che il futuro delle batterie potrebbe risiedere in strutture disordinate e non convenzionali, che è una prospettiva entusiasmante e che non abbiamo esplorato prima poiché di solito il disordine dà origine a problemi nei materiali delle batterie. Evidenzia l'importanza di vedere se altri materiali strutturalmente difettosi potrebbero offrire ulteriori opportunità per la chimica delle batterie reversibili" ha spiegato il professor Jawwad Darr (UCL Chemistry).

"Vediamo che l'aumento della superficie e l'inclusione del disordine nella struttura cristallina offre nuove strade per la chimica importante rispetto ai cristalli ordinati.

Convenzionalmente, l'ordine è desiderato per fornire percorsi di diffusione chiari, consentendo alle cellule di essere caricate e scaricate facilmente, ma ciò che abbiamo visto suggerisce che una struttura disordinata introduce nuovi, percorsi di diffusione accessibili che devono essere ulteriormente studiati, " ha affermato il professor Jordi Cabana (Università dell'Illinois a Chicago).

Questi risultati sono il prodotto di una nuova entusiasmante collaborazione tra ricercatori britannici e statunitensi. L'UCL e l'Università dell'Illinois a Chicago intendono espandere i loro studi ad altri disordinati, materiali ad alta superficie, per consentire ulteriori guadagni nella capacità di stoccaggio del magnesio e sviluppare una pratica batteria al magnesio.