Gennembrud inden for magnesiumbatterier:Nanostruktureret katode, forståelse af ny elektrolyt fører til større effektivitet

Magnesium-batterier giver løfte om sikker strømforsyning af det moderne liv - i modsætning til traditionelle lithium-ion-batterier, de er ikke brændbare eller udsat for eksplodering – men deres evne til at lagre energi har været begrænset.

Forskere rapporterede den 24. august i tidsskriftet Naturkommunikation opdagelsen af ​​et nyt design til batterikatoden, drastisk forøgelse af lagringskapaciteten og øget konventionel visdom om, at magnesium-chlorid-bindingen skal brydes, før magnesium indsættes i værten.

"Vi kombinerer en nanostruktureret katode og en ny forståelse af magnesiumelektrolytten, " sagde Yan Yao, lektor i elektro- og computerteknik ved University of Houston og hovedforfatter på papiret. "Det er nyt."

Værket blev først udtænkt af Yao og postdoc-stipendiat Hyun Deog Yoo i 2014; projektet strakte sig over flere år og involverede forskere fra tre universiteter og tre nationale laboratorier, arbejder både eksperimentelt og teoretisk.

"Magnesiumion er kendt for at være svær at indsætte i en vært, " sagde Yoo, første forfatter på papiret. "Først og fremmest, det er meget svært at bryde magnesium-chloridbindinger. Mere end det, magnesiumioner produceret på den måde bevæger sig ekstremt langsomt i værten. Det sænker totalt batteriets effektivitet."

Det nye batteri lagrer energi ved at indsætte magnesiummonochlorid i en vært, såsom titandisulfid. Ved at bibeholde magnesium-chloridbindingen, Yao sagde, katoden demonstrerede meget hurtigere diffusion end traditionelle magnesiumversioner.

Forskerne rapporterer, at det nye batteri har en lagerkapacitet på 400 mAh/g, sammenlignet med 100 mAh/g for tidligere magnesiumbatterier. Kommercielle lithium-ion-batterier har en katodekapacitet på omkring 200 mAh/g, sagde Yao, som også er hovedefterforsker ved Texas Center for Superconductivity på UH.

Spændingen på det nye batteri forbliver lav på omkring en volt. Det kan sammenlignes med tre til fire volt for lithiumbatterier.

Højspændingen, kombineret med deres høje energitæthed, har gjort lithium-ion-batterier til standarden. Men lithium er dyrt og kan udvikle brud i dets interne struktur, en tilstand kendt som dendritvækst, som kan få batterierne til at gå i brand. Som en jordrig ressource, magnesium er billigere og danner ikke dendritter. Indtil nu, imidlertid, det er blevet holdt tilbage af behovet for en bedre katode - den elektrode, hvorfra strømmen løber - og mere effektive elektrolytter, det medium, hvorigennem den ioniske ladning strømmer mellem katode og anode.

Dette arbejde foreslår en løsning.

Nøglen, Yoo sagde, er at udvide titandisulfidet for at tillade magnesiumchlorid at blive indsat - en fire-trins proces kaldet intercalation - i stedet for at bryde magnesium-chlorid-bindingerne og indsætte magnesium alene. Fastholdelse af magnesium-chloridbindingen fordoblede den ladning, katoden kunne opbevare.

Magnesiummonochloridmolekylerne er for store til at blive indsat i titandisulfidet ved hjælp af konventionelle metoder. Bygger på deres tidligere arbejde, forskerne skabte en åben nanostruktur ved at udvide hullerne i titandisulfidet med 300 procent, ved hjælp af organiske "søjler".

Åbningen var stadig lille, steget fra 0,57 nanometer til 1,8 nanometer, men Yao sagde, at det tillod magnesiumchlorid at blive indsat.

"Kombineret teoretisk modellering, spektroskopisk analyse, og elektrokemisk undersøgelse afslører hurtig diffusionskinetik af magnesiummonochloridkationer uden spaltning af magnesiumchloridbinding, " skrev forskerne. "... Den store kapacitet ledsager fremragende hastigheds- og cykelpræstationer selv ved stuetemperatur, åbner op for muligheder for en række effektive interkalationsværter til multivalent-ion-batterier."

"Vi håber, det er en generel strategi, " sagde Yoo. "Indsættelse af forskellige polyatomiske ioner i værter med højere spænding, vi i sidste ende sigter mod at skabe batterier med højere energi til en lavere pris, især til elbiler."