Hellig gral til batterier:Solid-state magnesiumbatteri et stort skridt tættere på

Et team af forskere i Department of Energy (DOE) ved Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) har opdaget den hurtigste magnesiumion-solid-state-leder, et stort skridt i retning af at lave solid-state magnesium-ion-batterier, der både er energitætte og sikre.

Elektrolytten, som fører ladning frem og tilbage mellem batteriets katode og anode, er en væske i alle kommercielle batterier, hvilket gør dem potentielt brandfarlige, især i lithium-ion-batterier. En solid state-leder, som har potentiale til at blive en elektrolyt, ville være langt mere brandsikker.

Forskere ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Argonne National Laboratory arbejdede på et magnesiumbatteri, som tilbyder højere energitæthed end lithium, men blev dæmpet af mangel på gode muligheder for en flydende elektrolyt, hvoraf de fleste har en tendens til at være ætsende mod andre dele af batteriet. "Magnesium er sådan en ny teknologi, den har ingen gode flydende elektrolytter, "sagde Gerbrand Ceder, en Berkeley Lab Senior fakultetsforsker. "Vi troede, hvorfor ikke springe og lave en solid-state elektrolyt? "

Det materiale, de fandt på, magnesium scandium selenid spinel, har magnesiummobilitet, der kan sammenlignes med solid-state-elektrolytter til litiumbatterier. Deres fund blev rapporteret i Naturkommunikation i et papir med titlen, "Høj magnesiummobilitet i ternære spinelchalcogenider." JCESR, en DOE Innovation Hub, sponsoreret undersøgelsen, og hovedforfatterne er Pieremanuele Canepa og Shou-Hang Bo, postdoktorer ved Berkeley Lab.

"Ved hjælp af en samlet indsats for at samle beregningsmateriale -videnskabelige metoder, syntese, og en række karakteriseringsteknikker, vi har identificeret en ny klasse af faste ledere, der kan transportere magnesiumioner med en hidtil uset hastighed, "Sagde Canepa.

Samarbejde med MIT og Argonne

Forskerteamet omfattede også forskere ved MIT, hvem leverede beregningsressourcer, og Argonne, som leverede nøgleeksperimentel bekræftelse af magnesiumscandiumselenid -spinelmaterialet for at dokumentere dets struktur og funktion.

Medforfatter Baris Key, en forskningskemiker i Argonne, udførte nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi eksperimenter. Disse tests var blandt de første trin til eksperimentelt at bevise, at magnesiumioner kunne bevæge sig gennem materialet så hurtigt som de teoretiske undersøgelser havde forudsagt.

"Det var afgørende at bekræfte den hurtige magnesiumhopping eksperimentelt. Det er ikke ofte, at teorien og eksperimentet er tæt enige med hinanden, "Key sagde." NMR -eksperimenterne i solid state for denne kemi var meget udfordrende og ville ikke være mulige uden dedikerede ressourcer og en finansieringskilde som JCESR. Som vi har vist i denne undersøgelse, en dybdegående forståelse af kort- og langdistancestruktur og iondynamik vil være nøglen til forskning i magnesiumionbatterier. "

NMR ligner magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), som rutinemæssigt bruges i medicinske omgivelser, hvor det viser hydrogenatomer af vand i menneskelige muskler, nerver, fedtvæv, og andre biologiske stoffer. Men forskere kan også indstille NMR -frekvens for at detektere andre elementer, herunder de lithium- eller magnesiumioner, der findes i batterimaterialer.

NMR -data fra magnesiumscandiumselenidmaterialet, imidlertid, involveret materiale med ukendt struktur med komplekse egenskaber, gør dem udfordrende at fortolke.

Canepa noterede sig udfordringerne ved at teste materialer, der er så nye. "Protokoller er stort set ikke-eksisterende, "sagde han." Disse fund var kun mulige ved at kombinere en multi-teknik tilgang (NMR i solid state og synkrotronmålinger ved Argonne) ud over konventionel elektrokemisk karakterisering. "

Gør det umulige

Teamet planlægger at udføre yderligere arbejde med at bruge lederen i et batteri. "Dette har sandsynligvis en lang vej at gå, før du kan lave et batteri ud af det, men det er den første demonstration, du kan lave materialer i solid state med virkelig god magnesiummobilitet igennem det, "Ceder sagde." Magnesium menes at bevæge sig langsomt i de fleste faste stoffer, så ingen troede, at dette ville være muligt. "

Derudover forskningen identificerede to beslægtede fundamentale fænomener, der i betydelig grad kunne påvirke udviklingen af ​​faste magnesiumelektrolytter i den nærmeste fremtid, nemlig, rollen som anti-site defekter og samspillet mellem elektronisk og magnesium konduktivitet, begge offentliggjort for nylig i Chemistry of Materials.

Bo, nu adjunkt ved Shanghai Jiao Tong University, sagde opdagelsen kunne have en dramatisk effekt på energilandskabet. "Dette arbejde samlede et stort team af forskere fra forskellige videnskabelige discipliner, og tog det første hug på den formidable udfordring med at bygge et solid-state magnesiumbatteri, "sagde han." Selvom det i øjeblikket er i sin vorden, denne nye teknologi kan have en transformerende indvirkning på energilagring i den nærmeste fremtid. "

Gopalakrishnan Sai Gautam, en anden medforfatter, der var tilknyttet Berkeley Lab og nu er i Princeton, sagde, at teammetoden muliggjort af et DOE -hub som JCESR var kritisk. "Arbejdet viser vigtigheden af ​​at bruge en række teoretiske og eksperimentelle teknikker i et stærkt samarbejdsmiljø til at gøre vigtige grundlæggende opdagelser, " han sagde.

Ceder var begejstret for udsigterne til fundet, men advarede om, at der stadig er arbejde. "Der er en enorm indsats i industrien for at lave et solid-state batteri. Det er den hellige gral, fordi du ville have det ultimative sikre batteri. Men vi har stadig arbejde at gøre. Dette materiale viser en lille mængde elektronlækage, som skal fjernes, før det kan bruges i et batteri. "