Forskning overvinder store tekniske forhindringer i magnesium-metal-batterier

Forskere ved Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL) har opdaget en ny tilgang til udvikling af et genopladeligt ikke-vandigt magnesium-metalbatteri.

Et proof-of-concept papir udgivet i Naturkemi detaljerede hvordan forskerne var banebrydende for en metode til at muliggøre reversibel kemi af magnesiummetal i de ikke-ætsende carbonatbaserede elektrolytter og testede konceptet i en prototypecelle. Teknologien har potentielle fordele i forhold til lithium-ion-batterier - især, højere energitæthed, større stabilitet, og lavere omkostninger.

NREL-forskere (fra venstre) Seoung-Bum Son, Steve Harvey, Andrew Norman og Chunmei Ban er medforfattere til Naturkemi hvidt papir, "En kunstig interfase muliggør reversibel magnesiumkemi i karbonatelektrolytter", der arbejder med en sekundær ion-massespektrometri i en flyvning. Enheden giver dem mulighed for at undersøge materialenedbrydning og fejlmekanismer på mikro- til nanoskala. (Foto:Dennis Schroeder / NREL)

"At være videnskabsmænd, vi tænker altid:hvad er det næste?" sagde Chunmei Ban, en videnskabsmand i NREL's Materials Science-afdeling og den tilsvarende forfatter til papiret, "En kunstig interfase muliggør reversibel magnesiumkemi i karbonatelektrolytter." Den dominerende lithium-ion batteriteknologi nærmer sig den maksimale mængde energi, der kan lagres pr. volumen, hun sagde, så "der er et presserende behov for at udforske nye batterikemier", der kan give mere energi til en lavere pris.

"Dette fund vil give en ny vej til design af magnesiumbatterier, " sagde Seoung-Bum Søn, en tidligere NREL postdoc og videnskabsmand ved NREL og førsteforfatter af papiret. Andre medforfattere fra NREL er Steve Harvey, Adam Stokes, og Andrew Norman.

En elektrokemisk reaktion driver et batteri, når ioner strømmer gennem en væske (elektrolyt) fra den negative elektrode (katode) til den positive elektrode (anode). For batterier, der bruger lithium, elektrolytten er en saltopløsning indeholdende lithiumioner. Hvad der også er vigtigt, er den kemiske reaktion skal være reversibel, så batteriet kan genoplades.

Magnesium (Mg) batterier indeholder teoretisk næsten dobbelt så meget energi pr. volumen som lithium-ion batterier. Men tidligere forskning stødte på en hindring:kemiske reaktioner af den konventionelle karbonatelektrolyt skabte en barriere på overfladen af ​​magnesium, der forhindrede batteriet i at genoplades. Magnesiumionerne kunne strømme i omvendt retning gennem en stærkt ætsende flydende elektrolyt, men det udelukkede muligheden for et vellykket højspændingsmagnesiumbatteri.

I forsøget på at overvinde disse vejspærringer, forskerne udviklede en kunstig fast-elektrolyt-interfase fra polyacrylonitril og magnesium-ion-salt, der beskyttede overfladen af ​​magnesiumanoden. Denne beskyttede anode viste markant forbedret ydeevne.

Side-by-side illustrationer viser, hvordan NREL-forskere løste et problem med at lave et genopladeligt magnesiumbatteri.

Forskerne samlede prototypeceller for at bevise robustheden af ​​den kunstige interfase og fandt lovende resultater:cellen med den beskyttede anode muliggjorde reversibel Mg -kemi i carbonatelektrolyt, som aldrig er blevet påvist før. Cellen med denne beskyttede Mg-anode leverede også mere energi end prototypen uden beskyttelsen og fortsatte med at gøre det under gentagne cyklusser. Desuden, gruppen har demonstreret genopladeligheden af ​​magnesium-metal-batteriet, som giver en hidtil uset mulighed for samtidig at adressere anode/elektrolyt-inkompatibiliteten og begrænsningerne for ioner, der forlader katoden.

Ud over at være lettere tilgængelig end lithium, magnesium har andre potentielle fordele i forhold til den mere etablerede batteriteknologi. Først, magnesium frigiver to elektroner til lithiums ene, dermed giver det potentialet til at levere næsten dobbelt så meget energi som lithium. Og for det andet, magnesium-metal batterier oplever ikke vækst af dendritter, som er krystaller, der kan forårsage kortslutninger og dermed farlig overophedning og endda brand, gør potentielle magnesiumbatterier meget mere sikre end lithium-ion-batterier.