Anar al contingut

Bateria de magnesi

De L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià

Les bateries de magnesi són bateries que utilisen cationes de magnesi com a agents actius de transport de càrrega en solució i, a sovint, com ànodo elemental d'una cèlula electroquímica. S'han investigat tant piles primàries no recargables com piles secundàries recargables. Les piles primàries de magnesi s'han comercialisat i s'han utilisat com a piles de reserva i d'us general.

Les piles secundàries de magnesi són un tema actiu d'investigació, concretament com a possible substitució o millora de la química de les bateries basades en ions de liti en certes aplicacions. Una ventaja significativa de les piles de magnesi és l'us d'un ànodo de magnesi sòlit, que permet dissenyar piles de major densitat energètica que les fabricades en liti, que en molts casos requerixen un ànodo de liti intercalado. També s'han investigat els ànodos de tipo inserció ("ion de magnesi)

Cèlules primàries

[editar | editar còdic]

Les piles primàries de magnesi es vénen desenrollant des de principis de el XX. En l'ànodo reactiu, aprofiten la baixa estabilitat i l'alta energia del magnesi metàlic, l'enllaç del qual és més dèbil en més de 250 kJ/mol en comparació al ferro i la majoria dels demés metals de transició, que s'enllacen fortament a través de les seues orbitales d parcialment plens. S'han investigat vàries químiques per a tipos de piles de reserva, en materials catódicos com clorur d'argent, clorur de coure (I), clorur de paladi (II), yodur de coure (I), tiocianato de coure (I), diòxit de manganeso i aire (oxigen).[1]Per eixemple, una bateria de reserva de clorur d'argent/magnesi activada per aigua va estar disponible comercialment en 1943.

La pila seca de magnesi BA-4386 es va comercialisar en un cost per unitat propenc al de les piles de zinc; en comparació a les piles equivalents de zinc-carbono, les piles tenien major capacitat per volum i una vida útil més llarga. La BA-4386 va ser àmpliament utilisada per l'eixèrcit nortamericà des de 1968 fins a 1984, quan va ser substituïda per una bateria de clorur de tionilo de liti.

Una pila de magnesi-aire té una tensió de funcionament teòrica de 3,1 V i una densitat energètica de 6,8 kWh/kg. Ya en els anys 60, General Electric va fabricar una pila de magnesi-aire que funcionava en una solució neutra de NaCl. La pila de magnesi-aire és una pila primària, pero pot "recarregar-se" substituint l'ànodo i l'electrolito. Algunes bateries primàries de magnesi s'han comercialisat i s'utilisen com a sistemes de reserva en terra i com a fonts d'energia submarines, utilisant aigua de mar com electrolito. El torpedo Mark 44 utilisa una bateria de magnesi activada per aigua.

Cèlules secundàries

[editar | editar còdic]

Descripció general

[editar | editar còdic]

Les bateries secundàries de ions de magnesi, que impliquen l'inserció i extracció reversibles de ions Mg2+ en ànodos i càtodos durant la càrrega i la descàrrega, han segut objecte d'intenses investigacions com a possible substitut o millora de les tecnologies de bateries de ions de liti en determinades aplicacions: en comparació al liti metàlic com a material anódico, el magnesi té una densitat energètica (teòrica) per unitat de massa inferior a la mitat de la del liti (18,8 MJ/kg (2205 mAh/g) front a 42,3 MJ/kg), pero una densitat energètica volumètrica entorn a un 50 % superior (32,731 GJ/m3 (3833 mAh/ml) front a 22,569 GJ/m3 (2046 mAh/ml).[2] En comparació als ànodos metàlics de liti, els de magnesi no presenten formació de dendritas, encara que només en determinats dissolvents no acuosos i a densitat de corrent inferiors a aproximadament 1 mA/cm2.[3]Esta deposición de Mg sense dendritas permet utilisar magnesi metàlic sense un compost d'intercalació en l'ànodo,[nota 1]elevant aixina la densitat d'energia volumètrica relativa màxima teòrica a unes 5 voltes la d'un electrodo de grafit de liti.[5] Ademés, la modelació i l'anàlisis de celes han indicat que les bateries basades en magnesi poden tindre una ventaja de cost sobre les de liti per l'abundància de magnesi en la Terra i a la relativa escassea de jaciments de liti.[3]Ya en la década de 1990 s'havia reconegut el potencial d'una bateria basada en Mg en materials catódicos de V2O5, TiS2 o Tu2S4 i ànodos metàlics de magnesi. No obstant, l'observació de inestabilitat en l'estat de descàrrega i les incertituts sobre el paper de l'aigua en el electrolito varen llimitar el progrés.[6][7] La primera cela recargable exitosa es va informar en 2000, basada en el càtodo Mo6S8 tipo chevrel en un electrolito basat en organohaloaluminato de magnesi/THF.[8]

A partir de 2018, l'investigació secundària de bateries de magnesi no havia produït una bateria comercialisar, en dificultats específiques que eren els electrolitos i els materials del càtodo.[9][9]A partir de 2015, les barreres per a produir una bateria de magnesi comercialment útil eren la falta de electrolitos pràctics demostrats i materials de càtodo d'alta densitat d'energia per a ions de magnesi.[9]

Investigació

[editar | editar còdic]

Ànodos i electrolitos

[editar | editar còdic]

Un dels principals inconvenients d'utilisar un ànodo metàlic de magnesi és la tendència a formar una capa superficial pasivante (no conductora) en recarregar-se, lo que bloqueja la càrrega posterior (a diferència del comportament del liti). Es pensava que la capa pasivante s'originava per la descomposició del electrolito durant la reducció dels ions de magnesi. Es va descobrir que els contraiones comuns, com el perclorato i el tetrafluoroborato, contribuïen a la pasivación, de la mateixa manera que alguns dissolvents apróticos polars comuns, com els carbonat i els nitril.[10]La formació de capes pasivantes sobre el magnesi motiva l'us de intermetálicos de magnesi com a materials anódicos, ya que la seua menor reactivitat en els electrolitos d'us comú els fa menys propensos a la formació de capes pasivantes. Açò és especialment cert en el cas del compost intermetálico Mg3Bi2, que constituïx un tipo d'electrodo d'inserció de magnesi, basat en l'inserció reversible del magnesi metàlic en un compost hoste.[11] Ademés del bismut, també s'han utilisat estany i antimoni en electrodos d'inserció de composts per a bateries de ions de magnesi.[12]S'ha demostrat que poden evitar la pasivación de la superfície de l'ànodo, pero sofrixen la destrucció de l'ànodo pels canvis volumètrics en l'inserció, aixina com una cinètica llenta de l'inserció. Els eixemples de tipos d'ànodos d'inserció investigats inclouen cicles entre Sn elemental i Mg2Sn.[13][14][15]

S'ha demostrat que els electrolitos etéreos basats en Grignard no pasivan;[16] els organoboratos de magnesi també varen mostrar electrodeposición sense pasivación. El compost Mg(BPh2Bu2)2 es va utilisar en la primera pila de magnesi recargable demostrada, pero la seua utilitat es va vore llimitada per l'oxidació electroquímica (és dir, un baix llímit anódico de la finestra de tensió).[17]Atres electrolitos investigats inclouen borohidruros, fenolatos, alcóxidos, complexos basats en amido (per eixemple, basats en hexametildisilazano), ixes de carborano, alcoxiboratos fluorados, un electrolito d'estat sòlit de Mg(BH4)(NH2) i polímero de gel que contenen Mg(AlCl2EtBu)2 en tetraglima/PVDF.[18][19]

L'actual onada d'interés per les bateries de magnesi-metal va començar en 2000, quan un grup israelita va informar d'un revestiment reversible de magnesi a partir de solucions mixtes de clorur de magnesi i clorur d'alumini en éter, com el THF.[20][21]La principal ventaja d'este electrolito és un llímit positiu significativament major de la finestra de tensió (i, per tant, una tensió de bateria més alta) que la dels electrolitos de recobriment de Mg descrits anteriorment. Des de llavors, s'han publicat atres sals de Mg, menys corroents que el clorur.[22]

Un inconvenient en comparació al liti és la major càrrega (+2) del magnesi en solució, lo que tendix a donar com resultat una major viscosidad i una movilitat reduïda en el electrolito. En solució, pot existir una série d'espècies depenent dels contraiones/agents complejantes; estos a sovint inclouen espècies en una sola càrrega (per eixemple, MgCl+ en presència de clorur), encara que a sovint es formen dímers (p. eix. Mg2Cl3+).[23] El moviment del ion de magnesi en les rets de l'amfitrió del càtodo també és (a partir de 2014) problemáticamente llent.

En 2018, un electrolito sense clorur junt en un càtodo d'polímero a pur de quinona va demostrar un rendiment prometedor, en fins a Error de Lua: expandTemplate: template "es:formatnum" does not exist. per kg d'energia específica, fins a 3,4 kW/kg de potencia específica, i fins a un 87 % de retenció a 2500 cicles. Es va afirmar que l'absència de clorur en el electrolito millora la cinètica iònica i, per lo tant, reduïx la cantitat de electrolito utilisat, lo que aumenta el rendiment.

Un enfocament prometedor podria ser la combinació d'un ànodo de Mg en un càtodo de sofre/carbono.[24] Per a això es necessita un electrolito no nucleófilo que no convertixca el sofre en sulfur només per les seues propietats reductores. Dits electrolitos s'han desenrollat a partir de sals complexes en i sense clor.[25][26][27] El electrolito és una sal de Mg[28] que conté el catión Mg i dos grups bor-hexafluoroisoproplylate com aniones. Este sistema és fàcil de sintetisar, mostra una conductivitat iònica similar a la de les piles de ions d'Li, la seua finestra d'estabilitat electroquímica és de fins a 4,5 V, és estable en l'aire i versàtil front a diferents dissolvents.[29]

Materials catódicos

[editar | editar còdic]

Sobre els materials catódicos, s'ha investigat l'idoneïtat de diversos composts, inclosos els utilisats en les piles primàries de magnesi. Entre els nous materials catódicos investigats o proposts figuren el disulfuro de zirconi, l'òxit de cobalt(II,III), el diseleniuro de wolframio, el pentóxido de vanadi i els càtodos basats en vanadatos. Les espinelas basades en cobalt varen mostrar una cinètica inferior a l'inserció de magnesi en comparació al seu comportament en el liti.[1] En l'any 2000 es va demostrar que la forma de fase chevrel del Mo6S8 era molt adequada com a càtodo, soportant 2000 cicles al 100 % de descàrrega en una pèrdua del 15 %; els inconvenients eren el baix rendiment a baixa temperatura (movilitat reduïda del Mg, compensada substituint-ho per seleni), aixina com un baix voltage, ca. 1,2 V, i una baixa densitat energètica (110 mAh/g). Un càtodo de disulfuro de molibdeno va mostrar un voltage i una densitat energètica millorats, 1,8 V i 170 mAh/g. Els sulfur de metals de transició es consideren candidats prometedors per a càtodos de bateries de ions de magnesi.[30]En 2015 es va informar d'una pila de magnesi híbrida que utilisava un electrolito mixt de magnesi i sodi en inserció de sodi en un càtodo de disulfuro de ferro(II) nanocristalino.

Els càtodos a pur de diòxit de manganeso han mostrat bones propietats, pero es varen deteriorar durant el cicle per un mecanisme de conversió per a formar MgO.[31] S'ha demostrat que els materials en estructura d'espinela són electroquímicamente actius en una configuració de ions de Mg utilisant un ànodo d'adsorció a pur de carbono. Els materials de ions de magnesi d'alt voltage, inclosos MgMn2O4, MgV2O4 i MgCr2O4, s'han estudiat en detalle per a comprendre les vies de difusió dels ions de magnesi.[32][33] Treballs recents han identificat un atre tipo d'estructura marque, denominada ("postespinelas", en la fòrmula prototípica CaFe2O4), com a tema actiu d'investigació per a càtodos d'inserció de ions de magnesi.[34]

En 2014, es va informar sobre una bateria de magnesi recargable (tipo conversió) que utilisava un càtodo de MgFeSiO4 de tipo olivino d'intercanvi iònic en un electrolito de bis(trifluorometilsulfonil)imida/triglima; la cela va mostrar una capacitat de 300 mAh/g en un voltage de 2,4 V.[35]També s'ha investigat el MgMnSiO4 com a possible càtodo d'inserció de Mg2+.[36]

També s'han investigat materials catódicos distints dels tipos no inorgànics d'òxit metàlic/sulfur: en 2015 es va informar d'un càtodo basat en un polímero que incorpora antraquinona;[37] i també s'han investigat atres materials catódicos orgànics, i organopolímeros capaços de sometre's a reaccions redox, com la poli-2,2'-ditiodianilina.[38] Els càtodos basats en quinonas també varen formar el càtodo d'una bateria de magnesi d'alta densitat energètica de la que varen informar els investigadors en 2019.

En 2016 es va informar d'un càtodo combinat de carbono poroso i yodo com a possible alternativa als càtodos d'inserció de Mg2+; es va informar de que la química era potencialment adequada per a una bateria de fluix recargable[39]

Comercialisació

[editar | editar còdic]

En 2009-2016, una empresa derivada de el MIT, Pellion Technology, despuix de rebre varis millons de dólars d'ARPA-E, va intentar sense èxit desenrollar bateries basades en Mg i atres metals multivalentes.[40]

En octubre de 2016, Fonda i Saitec (Centre de Tecnologia Industrial de Saitama) varen afirmar tindre una bateria de Mg comercialisable, basada en un càtodo de xerogel de pentóxido de vanadi/sofre.[41][42] També es va anunciar una data de comercialisació en 2018.[41]

Referències

[editar | editar còdic]
  1. ↑ 1,0 1,1 Mohtadi y Mizuno, 2014, §3.
  2. ↑ Rechargeable Magnesium Ion Batteries Based on Nanostructured Tungsten Disulfide Cathodes Batteries 2022
  3. ↑ 3,0 3,1 Mohtadi y Mizuno, 2014, p.1292, col.2.
  4. ↑ Mohtadi y Mizuno, 2014, p.1292, col.1.
  5. ↑ Orikasa et a el, 2014, Introduction.
  6. ↑ “Magnesium Insertion in Vanadium Oxides: A Structural Study” (en) (1994). Zeitschrift für Physikalische Chemie 185: 51–68. doi:10.1524/zpch.1994.185.part_1.051.
  7. ↑ “Chemical intercalation of magnesium into solid hosts” (en) (1991). Journal of Materials Chemistry 1 (4): 705–706. doi:10.1039/JM9910100705.
  8. ↑ “Prototype systems for rechargeable magnesium batteries” (en) (2000). Nature 407 (6805): 724–727. doi:10.1038/35037553. PMID 11048714. Bibcode: 2000Natur.407..724A.
  9. ↑ 9,0 9,1 9,2 Mohtadi y Mizuno, 2014, Conclusion, p.1309.
  10. ↑ Mohtadi y Mizuno, 2014, § 1.1.
  11. ↑ Computational study of Mg3Bi2 anodes Chemical Physics Letters 2022
  12. ↑ Mohtadi y Mizuno, 2014, §1.2.
  13. ↑ “A high energy-density tin anode for rechargeable magnesium-ion batteries” (en) (2013). Chemical Communications 49 (2): 149–151. doi:10.1039/c2cc34673g. PMID 23168386.
  14. ↑ “Magnesium Storage Performance and Surface Film Formation Behavior of Tin Anode Material” (en) (2016). ChemElectroChem 3 (11): 1813–1819. doi:10.1002/celc.201600400.
  15. ↑ “Magnesium stannide as a high-capacity anode material for magnesium-ion batteries” (en) (2017). Journal of Power Sources 368: 11–17. doi:10.1016/j.jpowsour.2017.09.054.
  16. ↑ Mohtadi y Mizuno, 2014, §2; Fig.1, p.1293.
  17. ↑ Mohtadi y Mizuno, 2014, §2.
  18. ↑ Mohtadi y Mizuno, 2014, Table 1, p.1298.
  19. ↑ (2017).Journal of Materials Chemistry A.5(22)
    10815–10820.ISSN 2050-7496.doi:10.1039/C7TA02237A.
  20. ↑ “Prototype systems for rechargeable magnesium batteries” . Nature 407 (6805): 724–727. doi:10.1038/35037553. PMID 11048714. Bibcode: 2000Natur.407..724A.
  21. ↑ Mohtadi y Mizuno, 2014, §2 "In the early 2000, Aurbach et al. reported a breakthrough which constituted preparing an electrolyte with higher oxidative stability (2.5 V vs Mg) than the organoborates (1.9 V vs Mg for Mg(BPh2Bu2)2) by combining a Grignard reagent with aluminum-based Lewis acids ". p.1296, col.2.
  22. ↑ Mohtadi y Mizuno, 2014, §2.1.
  23. ↑ Mohtadi y Mizuno, 2014, §2.1.5.
  24. ↑ “Beyond Intercalation Chemistry for Rechargeable Mg Batteries: A Short Review and Perspective” (en) . Frontiers in Chemistry 6. doi:10.3389/fchem.2018.00656. ISSN 2296-2646. PMID 30697538.
  25. ↑ “Structure and compatibility of a magnesium electrolyte with a sulphur cathode” (en) . Nature Communications 2 (1). doi:10.1038/ncomms1435. ISSN 2041-1723. PMID 21829189. Bibcode: 2011NatCo...2..427K.
  26. ↑ “Bisamide based senar-nucleophilic electrolytes for rechargeable magnesium batteries” (en) . RSC Advances 3 (37): 16330–16335. doi:10.1039/C3RA43206H. ISSN 2046-2069. Bibcode: 2013RSCAd...316330Z.
  27. ↑ “Performance Improvement of Magnesium Sulfur Batteries with Modified Senar-Nucleophilic Electrolytes” (en) . Advanced Energy Materials 5 (3): 1401155. doi:10.1002/aenm.201401155. ISSN 1614-6840.
  28. ↑ “A new class of senar-corrosive, highly efficient electrolytes for rechargeable magnesium batteries” (en) (2017). Journal of Materials Chemistry A 5 (22): 10815–10820. doi:10.1039/C7TA02237A. ISSN 2050-7496.
  29. ↑ ACS Energy Letters.3(8)
    2005–2013.doi:10.1021/acsenergylett.8b01061.
  30. ↑ Mohtadi y Mizuno, 2014, §3.3.
  31. ↑ Mohtadi y Mizuno, 2014, §3.4.
  32. ↑ Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «Citas».
  33. ↑ Chemistry of Materials.32(15)
    6577–6587.doi:10.1021/acs.chemmater.0c01988.
  34. ↑ Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «Citas».
  35. ↑ Orikasa et a el, 2014.
  36. ↑ Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «Citas».
  37. ↑ «Anthraquinone-Based Polymer as Cathode in Rechargeable Magnesium Batteries».ChemSusChem.8(24)
    4128–4132.doi:10.1002/cssc.201500910.
  38. ↑ (2015).«Rechargeable Batteries: Materials, Technologies and New Trends».Green Energy and Technology.doi:10.1007/978-3-319-15458-9.
  39. ↑ Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «Citas».
  40. ↑ «The death of a promising battery startup exposes harsh market realities».
  41. ↑ 41,0 41,1 «Charged EVs | Fonda and Saitec develop magnesium ion battery with vanadium oxide cathode» (en en-us). chargedevs.com. Consultat el 2017-05-30.
  42. ↑ Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «Citas».


Erro en la cita: Existixen etiquetes <ref> per a un grup nomenat "nota", pero no es trobà una etiqueta <references group="nota"/>

Obtingut de «https://www.lenciclopedia.org/w/index.php?title=Bateria_de_magnesi&oldid=772156»