LOS CIENTíFICOS DE BERKELEY LAB Y EL CAMINO A LAS BATERíAS DE ALTO RENDIMIENTO

Los científicos han descubierto un nuevo estado químico del elemento manganeso. Este estado químico, propuesto por primera vez hace 90 años, permite una batería de iones de sodio de alto rendimiento y bajo costo que puede almacenar y distribuir de manera rápida y eficiente la energía producida por paneles solares y turbinas eólicas a través de la red eléctrica.

Esta prueba directa de un estado de carga previamente no confirmado en un componente de batería que contiene manganeso podría inspirar nuevas vías de exploración para las innovaciones de la batería.

Los experimentos de rayos X en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los EE. UU. (Berkeley Lab) fueron clave en el descubrimiento. Los resultados del estudio se publicaron el 28 de febrero en la revista Nature Communications .

Los científicos de Berkeley Lab y la Universidad de Nueva York participaron en el estudio, que fue dirigido por investigadores de Natron Energy, anteriormente Alveo Energy, una empresa de tecnología de baterías con sede en Santa Clara, California.

La batería que Natron Energy suministró para el estudio presenta un diseño poco convencional para un ánodo, que es uno de sus dos electrodos. En comparación con los diseños relativamente maduros de ánodos utilizados en baterías de iones de litio, los ánodos para baterías de iones de sodio siguen siendo un foco activo de I + D.

El ánodo presentado en este último estudio se compone de una mezcla de elementos, que incluyen manganeso, carbono y nitrógeno, que es químicamente similar a la fórmula del pigmento de pintura que contiene hierro conocido como azul de Prusia.

"Típicamente, en baterías de iones de litio y de sodio, el ánodo está más a menudo basado en el carbono", dijo Wanli Yang, un científico de la Advanced Light Source de Berkeley Lab , la fuente de rayos X que se utilizaron en los experimentos de la batería.

Pero en este caso, los dos electrodos de la batería utilizan el mismo tipo de materiales basados ​​en elementos conocidos como "metales de transición" que son útiles en química porque pueden exhibir varios estados cargados. El otro electrodo, llamado cátodo, contiene cobre, nitrógeno, carbono y hierro.

"La parte muy interesante aquí es que ambos electrodos se basan en la química de los metales de transición en el mismo tipo de materiales", agregó, con hierro en el cátodo y una química especial del manganeso en el ánodo.

"Uno de los beneficios directos de utilizar dichos materiales para ambos electrodos en la batería es que ninguno de los dos electrodos limita fundamentalmente la capacidad de potencia, el ciclo de vida o el costo del dispositivo", dijo Colin Wessells, CEO de Natron Energy . La batería supera los objetivos de vida útil y precio del Departamento de Energía para el almacenamiento de energía a escala de red, como informan los investigadores en su último estudio.

Wessells señaló que la batería es muy estable, sus materiales son abundantes, su costo general es competitivo con las baterías de plomo-ácido convencionales, y tiene una huella ambiental menor que las baterías convencionales.

Se ha demostrado que la batería proporciona hasta el 90 por ciento de su energía total en una descarga muy rápida de cinco minutos y retiene aproximadamente el 95 por ciento de su capacidad de descarga durante 1,000 ciclos. Ofrece una alternativa a los sistemas de almacenamiento de energía basados ​​en la gravedad para la red eléctrica, en la que el agua se bombea cuesta arriba y luego se lanza cuesta abajo a demanda para generar electricidad.

Sin embargo, la forma en que la batería logra su alto rendimiento ha desconcertado a los investigadores.

Hubo especulaciones, que datan de un artículo en una revista alemana en 1928, de que el manganeso podría existir en un estado llamado "1-plus" o "monovalente", lo que significa que un átomo de manganeso en este estado pierde solo un electrón. Esto es inusual, ya que los átomos de manganeso son conocidos por renunciar a dos o más electrones, o no electrones, en reacciones químicas, pero no solo uno.

Tal nuevo estado químico permitiría un rango de voltaje que es útil para los ánodos de la batería. Pero no ha habido ninguna medida que confirme esta forma monovalente de manganeso.

Los investigadores de Natron Energy estudiaron los materiales de la batería en la fundición Molecular Foundry de Berkeley Lab , un centro de nanociencia, y luego ofrecieron algunas celdas de batería de muestra para estudiar en la ALS.

La primera ronda de experimentos de rayos X en el ALS, que utilizó una técnica llamada espectroscopía de absorción de rayos X blandos, pareció mostrar principalmente la forma de manganeso en más de 2.

"Solo captamos una pista (de otra forma) en las pruebas iniciales, y tuvimos que confiar mucho en la teoría para especular sobre un estado diferente", dijo Andrew Wray de la Universidad de Nueva York, que realizó los cálculos teóricos.

Luego, el equipo recurrió a un sistema de nueva construcción en el ALS, denominado dispersión de rayos X inelástica resonante in situ, o iRIXS . La técnica, que proporciona una sonda de alta sensibilidad de la química interna de los materiales, mostró un contraste revelador en los electrones durante los ciclos de carga y descarga de la batería.

"Un contraste muy claro aparece inmediatamente con RIXS", dijo Yang. "Más tarde nos dimos cuenta de que el manganeso 1-plus se comporta muy, muy de cerca con el estado típico de más de 2 en otras espectroscopías convencionales", razón por la cual había sido difícil de detectar durante tantas décadas.

Wray agregó: "El análisis de los resultados de RIXS no solo confirma el estado de manganeso 1-plus; también muestra que las circunstancias especiales que dan lugar a este estado hacen que sea más fácil para los electrones viajar en el material. Es probable que este electrodo de batería tan inusual funcione tan bien ".

Los prototipos comerciales basados ​​en la batería probada en el laboratorio ingresaron a pruebas beta de clientes a principios de este año, señaló Wessells. Además de las aplicaciones de red, Natron Energy promueve la tecnología para la energía de emergencia de los centros de datos y para equipos pesados, como carretillas elevadoras eléctricas, entre otras aplicaciones posibles.

Yang dijo que el rompecabezas químico resuelto en el último estudio podría inspirar a otros I + D en nuevos tipos de electrodos de batería. "El funcionamiento de una batería podría impulsar la aparición de estados químicos atípicos que no existen en nuestro pensamiento convencional. Esta comprensión básica podría desencadenar otros diseños novedosos, y abrir nuestros ojos más allá de nuestra sabiduría convencional "sobre materiales de electrodos", dijo.

"Este estudio fue como un paquete perfecto, con contribuciones combinadas de la industria, el laboratorio nacional y la universidad", dijo Yang.

La Fuente de Luz Avanzada y la Fundición Molecular son Instalaciones de Usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.

El trabajo fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Energía de EE. UU. Energía, la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía, el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio en Berkeley Lab y la Fundación Nacional de Ciencia.

El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley aborda los desafíos científicos más urgentes del mundo mediante el avance de la energía sostenible, la protección de la salud humana, la creación de nuevos materiales y la revelación del origen y el destino del universo. Fundada en 1931, la experiencia científica de Berkeley Lab ha sido reconocida con 13 Premios Nobel. La Universidad de California administra Berkeley Lab para la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Para obtener más información, visite  www.lbl.gov .

La Oficina de Ciencia del DOE es el principal defensor de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos, y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. 

Bateria alto rendimiento

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