Lean elektrolytdesign er en game-changer for magnesiumbatterier

Forskere fra University of Houston og Toyota Research Institute of America har opdaget en lovende ny version af højenergiske magnesiumbatterier, med potentielle anvendelser lige fra elektriske køretøjer til batteriopbevaring til vedvarende energisystemer.

Batteriet, rapporteret 21. december in Joule , er den første rapporterede til at operere med begrænsede elektrolytter, mens du bruger en organisk elektrode, en ændring, sagde forskerne, gør det muligt for den at lagre og aflade langt mere energi end tidligere magnesiumbatterier. De brugte en kloridfri elektrolyt, endnu en ændring fra den traditionelle elektrolyt, der bruges af magnesiumbatterier, som muliggjorde opdagelsen.

Yan Yao, lektor i el- og computerteknik ved UH, sagde forskerne var i stand til at bekræfte, at klorid i den almindeligt anvendte elektrolyt bidrager til træg ydeevne. "Problemet, vi forsøgte at løse, er virkningen af ​​klorid, " sagde han. "Det er universelt brugt."

Yao, som også er hovedefterforsker ved Texas Center for Superconductivity på UH, og hans team brugte den kloridfri elektrolyt til at teste organiske quinonpolymerkatoder med en magnesiummetalanode, rapporterer, at de leverede op til 243 watt-timer pr. kilogram, med effekt målt til op til 3,4 kilowatt per kilogram. Batteriet forblev stabilt gennem 2, 500 cyklusser.

Forskere har brugt årtier på at lede efter et højenergisk magnesiumbatteri, i håb om at drage fordel af de naturlige fordele, som magnesium har i forhold til lithium, det element, der bruges i standard lithium-ion-batterier. Magnesium er langt mere almindeligt og derfor billigere, og det er ikke tilbøjeligt til brud i dens indre struktur - kendt som dendritter - der kan få lithiumbatterier til at eksplodere og antænde.

Men magnesiumbatterier vil ikke være kommercielt konkurrencedygtige, før de kan lagre og aflade store mængder energi. Yao sagde, at tidligere katode- og elektrolytmaterialer har været en anstødssten.

Katoden er den elektrode, hvorfra strømmen løber i et batteri, mens elektrolytterne er det medium, hvorigennem ionladningen strømmer mellem katode og anode.

Andre forskere på projektet inkluderer førsteforfatterne Hui Dong, en ph.d.-studerende ved UH, og Yanliang Leonard Liang, forskningsadjunkt ved UH; Oscar Tutusaus og Rana Mohtadi, begge med Toyota Research Institute of North America; og UH-ph.d.-studerende Ye Zhang og Fang Hao.

"Gennem (den) optimale kombination af organiske carbonylpolymerkatoder og Mg-lagringsaktiverende elektrolytter, vi er i stand til at demonstrere høj specifik energi, strøm, og cykelstabilitet, der sjældent ses i Mg-batterier, " skrev de.

Liang bemærkede, at indtil nu, den bedste katode til magnesiumbatterier har været en Chevrel fase molybdænsulfid, udviklet for næsten 20 år siden. Den har hverken kraften eller energilagringskapaciteten til at konkurrere med lithiumbatterier, han sagde.

Men nyere rapporter tyder på, at organiske katodematerialer kan give høj lagerkapacitet ved stuetemperatur. "Vi var nysgerrige, hvorfor " sagde Liang.

Dong sagde, at begge testede organiske polymerkatoder gav højere spænding end Chevrel-fasekatoden.

Yao sagde, at fremtidig forskning vil fokusere på yderligere at forbedre den specifikke kapacitet og spænding for batterierne for at konkurrere med lithium-batterier.

"Magnesium er meget mere rigeligt, og det er mere sikkert, " sagde han. "Folk håber, at et magnesiumbatteri kan løse risiciene ved lithiumbatterier."