Las baterías de los vehículos eléctricos de hoy son bastante buenas, pero aparentemente no has visto nada todavía. Los investigadores están mirando al magnesio para reemplazar al litio, que hasta ahora ha sido el caballo de batalla de la revolución de los vehículos eléctricos. Solo hay un pequeño problema, o dos, o un montón de ellos.
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Por qué las baterías de vehículos eléctricos necesitan mejorar
La tecnología de iones de litio es el estándar de oro para las baterías recargables para vehículos eléctricos y otros dispositivos, y sigue mejorando. Sin embargo, eso no significa que otros materiales puedan funcionar aún mejor. Es solo una cuestión de resolver los problemas.
Además, el rendimiento de la batería es solo un elemento en el campo de la movilidad sostenible. Con millones de vehículos eléctricos listos para tomar las carreteras, las vías fluviales y las vías respiratorias en los próximos años, la Hydra de múltiples cabezas de la cadena de suministro de litio ha estado llamando la atención, y no siempre en el buen sentido.
Las preocupaciones ambientales y de justicia social también influyen. El suministro mundial de litio parece lo suficientemente amplio, pero asegurar un suministro interno en los EE. UU. está plagado de peligros e impactos, al igual que en otras partes del mundo.
No existe la tecnología limpia libre de impactos, pero sustituir el litio por magnesio podría resultar en baterías para vehículos eléctricos de mejor rendimiento y al mismo tiempo abrir una gama más amplia de opciones de suministro doméstico en los EE. UU. Y otras partes del mundo, lo que ayuda a evitar temas ambientales, culturales y sociales sensibles.
Aquí, hagamos que el Servicio Geológico de EE. UU. Explique:
“El magnesio (Mg) es el octavo elemento más abundante y constituye aproximadamente el 2% de la corteza terrestre, y es el tercer elemento más abundante disuelto en el agua de mar … El magnesio y otros compuestos de magnesio también se producen a partir del agua de mar, salmueras de pozos y lagos y avetoros “.
Bitterns, eso es interesante. Los avetoros son pequeñas aves que habitan en los pantanos y son conocidas por su capacidad para guardar un secreto, y aparentemente el magnesio es una de ellas, aunque USGS probablemente se esté refiriendo a la solución que queda de la evaporación de las salmueras y el agua de mar.
¿Donde estábamos? Ah, claro, suministro doméstico de magnesio para baterías de vehículos eléctricos. Si los formuladores de políticas de EE. UU. Quieren desarrollar la cadena de suministro de magnesio en EE. UU., Es mejor que empiecen a agrietarse. Solo un puñado de empresas actualmente producir magnesio a partir de salmuera en los EE. UU., y en 2018 el Elko Daily publicó una historia larga sobre la única mina de magnesio que opera en los EE. UU., que es aún más interesante que el misterio de los avetoros.
Obstáculos en el camino hacia mejores baterías de vehículos eléctricos
Suponiendo un amplio suministro de magnesio en la mano, lo siguiente de lo que preocuparse es el rendimiento. El magnesio suena bien para las baterías de vehículos eléctricos en términos de densidad de energía, al menos en papel. Según nuestros amigos del Departamento de Energía de EE. UU., Los ánodos a base de magnesio pueden almacenar 5 veces más energía que los ánodos de grafito que se utilizan normalmente en las baterías de iones de litio. Sin embargo, es complicado.
“Las baterías recargables basadas en magnesio, en lugar de litio, tienen el potencial de extender la autonomía de los vehículos eléctricos al empaquetar más energía en baterías más pequeñas. Pero los obstáculos químicos imprevistos han frenado el progreso científico ”, explicó el Departamento de Energía en 2017.
No se refieren a pequeños obstáculos. Se refieren a los grandes. Los iones de magnesio no pueden moverse fácilmente a través de material sólido, que es el truco clave que realizan los iones de litio. En el pasado, el magnesio no se consideraba un buen candidato para las baterías de vehículos eléctricos debido a sus problemas de movilidad.
Además, un estudio de 2017 también reveló que degradación de la batería de magnesio puede ocurrir incluso antes de que la batería se cargue por primera vez.
¡Ay!
Resolviendo el problema de la batería de magnesio
En 2010, la recién creada oficina de financiación ARPA-E del Departamento de Energía aportó 3,2 millones de dólares en financiación a la escisión del MIT. Tecnologías Pellion para desarrollar baterías EV de magnesio con el doble de capacidad que las baterías de iones de litio.
Según un informe de 2018 en Cuarzo, otros inversores eventualmente perdieron interés, pero la investigación ha continuado a buen ritmo.
Un desarrollo clave ocurrió en 2018, cuando un estudio financiado por el Departamento de Energía describió la formación de nanocristales en el ánodo. Eso ayudó a sentar las bases para futuras investigaciones sobre el mecanismo preciso por el cual el magnesio podría resultar en un rendimiento superior de la batería.
“Los ánodos de magnesio … tienen un mecanismo operativo único”, escribió el Departamento de Energía. “Este mecanismo permite que las baterías se carguen y descarguen rápidamente a temperaturas bajo cero (0 ° C). Esta característica es importante para usar este tipo de baterías en automóviles y otras aplicaciones de transporte ”.
El Departamento de Energía también examinó baterías de magnesio desde otro ángulo en 2018, y obtuvo una comprensión más profunda de la forma en que los iones de magnesio pueden moverse a través de sólidos cristalinos.
Eso nos trae a la última investigación sobre baterías de magnesio, de la Universidad de Tohoku en Japón.
El equipo de investigación de Tohoku examinó de cerca los problemas de movilidad relacionados con el cátodo y propuso usar azufre en lugar de los óxidos de metales de transición utilizados en las baterías de iones de litio.
Otros investigadores han estado siguiendo el enfoque del azufre. Esa es una fila difícil de manejar, como explica la Universidad de Tohoku:
“… los cátodos a base de azufre para MRB tienen limitaciones severas: baja conductividad electrónica, difusión lenta de Mg en compuestos sólidos de Mg-S y disolubilidad de polisulfuros en electrolitos, lo que da como resultado una capacidad de baja velocidad y mala ciclabilidad”.
Eso no disuadió al equipo de investigación. Crearon cátodos basados en un compuesto líquido de azufre / sulfuro, que parece haber resuelto el problema.
“Los investigadores lograron una capacidad de descarga de ~ 900 mAh / ga una alta densidad de corriente de 1246 mA / g basada en la masa de azufre activo. Además, revelaron que el potencial de descarga se mejoró al utilizar azufre que no está en equilibrio formado por procesos de carga rápida ”, explica Tohoku, y agregó que“ este material permitió un rendimiento de cátodo estable a 150 durante más de 50 ciclos.
No es el final del camino para las baterías de magnesio para vehículos eléctricos
Si cree que 50 ciclos no es mucho para destacar, en parte tiene razón. La nueva investigación de Tohoku es un avance significativo, pero siguen existiendo obstáculos, como explica el equipo de investigación.
“Necesitamos electrolitos que sean compatibles con los materiales del cátodo y del ánodo porque el líquido iónico utilizado en este trabajo pasiva el ánodo de Mg-metal”, dijo el investigador principal, el Dr. Kohei Shimokawa. “En el futuro, es importante desarrollar nuevos electrolitos electroquímicamente estables para hacer que los MRB sean más prácticos para un uso generalizado”.
Para obtener más detalles, busque “Materiales compuestos de azufre / sulfuro líquido sintetizados electroquímicamente para cátodos de batería de magnesio de alta tasa” en el Revista de química de materiales A.
Mientras tanto, una revisión del estado de la investigación publicada el pasado mes de marzo en la revista Avances en ingeniería mecánica encuentra que “los cátodos a base de azufre junto con un (HMDS)2El electrolito a base de magnesio es muy prometedor ”, aunque los autores también indican que otros materiales para las baterías de magnesio para vehículos eléctricos podrían funcionar incluso mejor.
De cualquier manera, si todo sale según lo planeado, parece una victoria para los fanáticos de la descarbonización económica global.
“Al superar estos desafíos, las baterías de iones de magnesio plantea ser una tecnología innovadora potencialmente revolucionando la industria del vehículo ”, concluyen los autores.
Sigueme en Twitter @TinaMCasey.
Imagen: Baterías de magnesio para vehículos eléctricos cortesía de la Universidad de Tohoku.
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