Ny superionisk magnesiumleder til lithium-fri solid-state batterier

Udviklingen af ​​højeffektive energilagringsenheder, der kan lagre vedvarende energi, er afgørende for en bæredygtig fremtid. I dagens verden, solid-state genopladelig lithium-ion (Li ⁺ ) batterier er topmoderne. Men lithium er et sjældent jordmetal, og samfundets afhængighed af grundstoffet vil sandsynligvis føre til et hurtigt fald i ressourcer og efterfølgende prisstigninger.

Magnesiumion (Mg ²⁺ )-baserede batterier har taget fart som et alternativ til Li ⁺ . Jordskorpen rummer rigeligt magnesium og Mg ²⁺ -baserede energienheder siges at have høj energitæthed, høj sikkerhed og lave omkostninger. Men den brede anvendelse af Mg ²⁺ er begrænset af dens dårlige ledningsevne i faste stoffer ved stuetemperatur. Mg ²⁺ har dårlig ledningsevne i fast tilstand, fordi divalente positive ioner (2+) oplever stærke vekselvirkninger med deres tilstødende negative ioner i en fast krystal, hvilket hæmmer deres migration gennem materialet.

Denne hindring blev for nylig overvundet af et forskerhold fra Tokyo University of Science (TUS). I deres nye undersøgelse offentliggjort online den 4. maj 2022 og den 18. maj 2022 i bind 144 udgave 19 af Journal of the American Chemical Society , rapporterer de for første gang, en solid-state Mg ²⁺ leder med superionisk ledningsevne på 10 ⁻³ S cm ⁻¹ (tærsklen for praktisk anvendelse i solid-state batterier). Denne størrelse af ledningsevne for Mg ²⁺ dirigenter er den højeste rapporterede til dato. Ifølge juniorlektor Masaaki Sadakiyo fra TUS, der ledede undersøgelsen, "I dette arbejde udnyttede vi en klasse af materialer kaldet metal-organiske rammer (MOF'er). MOF'er har meget porøse krystalstrukturer, som giver plads til effektiv migrering af de inkluderede ioner. Her introducerede vi desuden et 'gæstemolekyle', acetonitril, i porerne i MOF'en, hvilket lykkedes med kraftigt at accelerere ledningsevnen af ​​Mg ²⁺ ." Forskningsgruppen omfattede endvidere hr. Yuto Yoshida, også fra TUS, professor Teppei Yamada fra University of Tokyo, og adjunkt Takashi Toyao og professor Ken-ichi Shimizu fra Hokkaido University. Papiret blev gjort tilgængeligt online den 4. maj, 2022 og blev offentliggjort i bind 144, udgave 19 af tidsskriftet den 18. maj 2022

Holdet brugte en MOF kendt som MIL-101 som hovedramme og indkapslede derefter Mg ²⁺ ioner i dens nanoporer. I den resulterende MOF-baserede elektrolyt, Mg ²⁺ var løst pakket, hvilket tillod migration af divalent Mg ²⁺ ioner. For yderligere at forbedre ionledningsevnen udsatte forskerholdet elektrolytten for acetonitrildampe, som blev adsorberet af MOF som gæstemolekyler.

Holdet udsatte derefter de forberedte prøver for en vekselstrøm (AC) impedanstest for at måle ionisk ledningsevne. De fandt ud af, at Mg ²⁺ elektrolyt udviste en superionisk ledningsevne på 1,9 × 10 ⁻³ S cm ⁻¹ . Dette er den højeste nogensinde rapporterede ledningsevne for et krystallinsk fast stof indeholdende Mg ²⁺ .

For at forstå mekanismen bag denne høje ledningsevne udførte forskerne infrarøde spektroskopiske og adsorptionsisotermmålinger på elektrolytten. Testene afslørede, at acetonitrilmolekylerne adsorberet i rammen muliggjorde effektiv migrering af Mg ²⁺ ioner gennem kroppen af ​​den faste elektrolyt.

Disse resultater af denne undersøgelse afslører ikke kun den nye MOF-baserede Mg ²⁺ leder som et egnet materiale til batteriapplikationer, men giver også kritisk indsigt i udviklingen af ​​fremtidige solid-state batterier. "I lang tid har folk troet, at divalente eller højere valensioner ikke kan overføres effektivt gennem et fast stof. I denne undersøgelse har vi påvist, at hvis krystalstrukturen og det omgivende miljø er veldesignet, så er en solid-state høj- konduktivitetsleder er godt inden for forskning," forklarer Dr. Sadakiyo.

På spørgsmålet om forskergruppens fremtidsplaner afslører han, at de "håber at bidrage yderligere til samfundet ved at udvikle en divalent leder med endnu højere ionisk ledningsevne." + Udforsk yderligere

Fast natriumelektrolyt, der kombinerer høj ledningsevne med elektrokemisk stabilitet