Oplader ind i fremtiden – nyt stensalt til brug i genopladelige magnesiumbatterier

Livet i dag afhænger i høj grad af elektricitet. Imidlertid, den utrættelige efterspørgsel efter elektricitet kræver stadigt grønnere og "bærbare" energikilder. Selvom vindmøller og solpaneler er lovende alternativer, fluktuationen i outputniveauer afhængigt af eksterne faktorer gør dem upålidelige. Dermed, fra et synspunkt om ressourceallokering og økonomi, sekundære batterier med høj energitæthed er vejen frem. Ved at syntetisere et nyt materiale (en metalforbindelse) til elektroder, der letter vending af ionernes kemi, en gruppe forskere ledet af prof. Idemoto fra Tokyo University of Science bekæmper de spildfulde aspekter af energikilder, ved at lægge et vigtigt grundlag for produktionen af ​​næste generation genopladelige sekundære magnesiumbatterier. Forskerne er optimistiske omkring denne opdagelse og fastslår, "Vi syntetiserede en stensalttype, der har fremragende potentiale til at blive brugt som det positive elektrodemateriale til næste generations sekundære batterier."

Den mest populære kilde til bærbar energi, et batteri består af tre grundlæggende komponenter - anoden, katoden, og elektrolytten. Disse deltager i et samspil af kemiske reaktioner, hvorved anoden producerer ekstra elektroner (oxidation), der absorberes af katoden (reduktion), resulterer i en proces kendt som redoxreaktion. Fordi elektrolytten hæmmer strømmen af ​​elektroner mellem anoden og katoden, elektronerne strømmer fortrinsvis gennem et eksternt kredsløb, således initierer en strøm af strøm eller "elektricitet". Når materialet i katoden/anoden ikke længere kan absorbere/afgive elektroner, batteriet anses for dødt.

Imidlertid, visse materialer tillader os at vende kemien, ved at bruge ekstern elektricitet, der løber i den modsatte retning, så materialerne kan vende tilbage til deres oprindelige tilstand. Sådanne genopladelige batterier ligner dem, der bruges i bærbare elektroniske enheder såsom mobiltelefoner eller tablets.

Prof. Idemoto og kolleger ved Tokyo University of Science syntetiserede kobolt-substitueret MgNiO ₂ , som viser lovende resultater som en ny katode. "Vi fokuserede på sekundære magnesiumbatterier, der bruger polyvalente magnesiumioner som bevægelige ioner, " udtaler prof. Idemoto, mens han fremhæver deres undersøgelse og dets fristende udsigter, "som forventes at have høj energitæthed i næste generations sekundære batterier." magnesiums lave toksicitet og letheden ved at udføre omvendte reaktioner har skabt entusiasme for at bruge det som anodemateriale med høj energitæthed, genopladelige batterier. Imidlertid, realisering af dette forbliver vanskelig på grund af manglen på en passende komplementær katode og elektrolyt. Det er præcis, hvad disse forskere sigter mod at ændre med deres forskning offentliggjort i tidsskriftet Uorganisk kemi .

Bygger på standard laboratorieteknikker, forskerne syntetiserede det nye salt ved hjælp af metoden "omvendt co-udfældning". Fra den vandige opløsning, de kunne udvinde romanen stensalt. For at undersøge strukturen såvel som for gitterbilleddannelse af det ekstraherede salt, de brugte neutron- og synkrotronrøntgenspektroskopi komplementært. Med andre ord, de studerede de diffraktionsmønstre, der blev skabt, når pulverprøverne blev bestrålet med neutroner eller røntgenstråler, hvilket resulterer i karakteristiske toppe i intensitet ved bestemte positioner. Samtidigt, forskerne udførte teoretiske beregninger og simuleringer for stensalttyperne, der viste en mulig "ladning-afladningsadfærd", der er nødvendig for egnede katodematerialer. Dette gjorde det muligt for dem at bestemme arrangementet af Mg, Ni, og Co kationer i stensaltstrukturen baseret på den mest energimæssigt stabile struktur blandt de 100 genererede symmetrisk forskellige kandidater.

Bortset fra strukturanalysen, forskerne udførte også ladnings-afladningstest med en tripolar celle og kendte referenceelektroder, under flere forhold, at forstå stensaltets elektrokemiske egenskaber som katodemateriale til de genopladelige magnesiumbatterier. De fandt ud af, at de kunne manipulere batteriets egenskaber baseret på Mg-sammensætningen og Ni/Co-forholdet. Disse strukturelle og elektrokemiske analyser gjorde det muligt for dem at demonstrere den optimale sammensætning for stensaltet som katodemateriale, sammen med dens pålidelighed under forskellige omgivende forhold. Prof. Idemoto og teamet er optimistiske med hensyn til funktionerne i det syntetiserede stensalt, som de understreger, "det har et fremragende potentiale til brug som det positive elektrodemateriale."

På nuværende tidspunkt den sekundære batteriindustri domineres hovedsageligt af lithium-ion-batterier, der bruges til lagring af elektricitet, in vehicles and portable devices. Der er, imidlertid, a cap on the energy density and storage of these batteries. But for Prof. Idemoto, limitations are merely opportunities, as he maintains, "Novel magnesium secondary batteries have the potential to surpass and replace lithium ion batteries as high-energy density secondary batteries through future research and development."

With such optimism surrounding the research, one can surely conclude that humans are charging into a tomorrow that is lit up by the science of today.