O magnésio é um candidato promissor como portador de energia para baterias de próxima geração. No entanto, o desempenho de ciclismo e a capacidade das baterias de magnésio precisam melhorar para substituir as baterias de íon-lítio.
Para tanto, uma equipe de pesquisa se concentrou em um novo material de cátodo com estrutura espinélio, Mg1.33V1.67−xMnxO4.
Após extensa caracterização e experimentos de desempenho eletroquímico, eles encontraram uma composição específica que pode abrir portas para baterias recarregáveis de magnésio de alto desempenho.
As baterias de íons de lítio permaneceram incomparáveis em termos de desempenho geral para diversas aplicações, como evidenciado por seu uso generalizado em tudo, desde eletrônicos portáteis até estações base de celular.
No entanto, eles sofrem de algumas desvantagens importantes que são difíceis de ignorar. Por um lado, o lítio é bastante caro, e o fato de estar sendo extraído em um ritmo extremo não ajuda.
Além disso, a densidade de energia das baterias de íon-lítio não é suficiente para dar autonomia a veículos elétricos e máquinas pesadas.
Essas preocupações, juntamente com o fato de que as baterias são altamente inseguras quando perfuradas ou em altas temperaturas, levaram os cientistas a procurar tecnologias alternativas.
Entre os vários elementos sendo testados como portadores de energia eficientes para baterias recarregáveis, o magnésio (Mg) é um candidato promissor.
Além de sua segurança e abundância, o Mg tem o potencial de aumentar a capacidade da bateria. No entanto, alguns problemas precisam ser resolvidos primeiro.
Isso inclui a janela de baixa voltagem que os íons de Mg fornecem, bem como o desempenho de ciclagem não confiável observado em materiais de bateria de Mg.
Para resolver essas questões, uma equipe de pesquisa liderada pelo vice-presidente e professor Yasushi Idemoto, da Tokyo University of Science, Japão, está à procura de novos materiais de cátodo para baterias de Mg.
Em particular, eles têm procurado maneiras de melhorar o desempenho dos materiais catódicos baseados no sistema MgV (V: vanádio).
Felizmente, conforme relatado em um estudo recente disponibilizado online em 8 de dezembro de 2022 e publicado no Volume 928 do Journal of Electroanalytical Chemistry em 1º de janeiro de 2023, eles agora encontraram o caminho certo para o sucesso.
Os pesquisadores focaram no sistema Mg1.33V1.67O4, mas substituíram uma certa quantidade de vanádio por manganês (Mn), obtendo materiais com a fórmula Mg1.33V1.67−xMnxO4, onde x vai de 0,1 a 0,4.
Embora esse sistema oferecesse alta capacidade teórica, mais detalhes sobre sua estrutura, ciclabilidade e desempenho do cátodo precisavam ser analisados para entender sua utilidade prática.
Assim, os pesquisadores caracterizaram os materiais catódicos sintetizados usando uma ampla variedade de técnicas padrão.
Primeiro, eles estudaram a composição, estrutura cristalina, distribuição de elétrons e morfologias de partículas de compostos Mg1.33V1.67-xMnxO4 usando difração de raios-X e absorção, bem como microscopia eletrônica de transmissão.
As análises mostraram que Mg1.33V1.67−xMnxO4 tem uma estrutura espinélio com uma composição notavelmente uniforme.
Em seguida, os pesquisadores realizaram uma série de medições eletroquímicas para avaliar o desempenho da bateria de Mg1.33V1.67-xMnxO4, usando diferentes eletrólitos e testando as propriedades de carga/descarga resultantes em várias temperaturas.
A equipe observou uma alta capacidade de descarga para esses materiais de cátodo – especialmente Mg1.33V1.57Mn0.1O4 – mas também variou significativamente dependendo do número do ciclo. Para entender o porquê, eles analisaram a estrutura local perto dos átomos de vanádio no material.
O professor Idemoto diz: “Parece que a estrutura cristalina particularmente estável, juntamente com uma grande quantidade de compensação de carga pelo vanádio, leva às propriedades superiores de descarga de carga que observamos para Mg1.33V1.57Mn0.1O4.
“Em conjunto, nossos resultados indicam que Mg1.33V1.57Mn0.1O4 pode ser um bom candidato a material de cátodo para baterias recarregáveis de magnésio”.
Satisfeito com as descobertas atuais e esperançoso com o que está por vir, o professor Idemoto diz: “Através de pesquisas e desenvolvimentos futuros, as baterias de magnésio podem superar as baterias de íon-lítio graças à maior densidade de energia das primeiras”.
De fato, os sistemas MgV substituídos podem eventualmente levar às tão esperadas baterias da próxima geração. Espera-se que a tão esperada alternativa ao lítio para as necessidades de baterias recarregáveis seja concretizada em breve.
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