Uordnede krystaller er lovende for fremtidens batteriteknologi

Lille bitte, uordnede partikler af magnesiumchromoxid kan være nøglen til ny energilagringsteknologi for magnesiumbatterier, som kunne have øget kapacitet sammenlignet med konventionelle lithium-ion-batterier, finde UCL og University of Illinois i Chicago forskere.

Studiet, offentliggjort i dag i Nanoskala , melder en ny, skalerbar metode til fremstilling af et materiale, der reversibelt kan lagre magnesiumioner ved højspænding, det definerende træk ved en katode.

Selvom det er på et tidligt tidspunkt, forskerne siger, at det er en væsentlig udvikling i retning af magnesiumbaserede batterier. Til dato, meget få uorganiske materialer har vist reversibel magnesiumfjernelse og -indsættelse, hvilket er nøglen til at magnesiumbatteriet fungerer.

"Lithium-ion-teknologi er ved at nå grænsen for sin kapacitet, så det er vigtigt at lede efter andre kemier, der vil give os mulighed for at bygge batterier med en større lagerkapacitet og et slankere design, " sagde co-lead forfatter, Dr. Ian Johnson (UCL Chemistry).

"Magnesium batteriteknologi er blevet forkæmpet som en mulig løsning til at levere længerevarende telefon- og elbilbatterier, men at få et praktisk materiale til at bruge som katode har været en udfordring."

En faktor, der begrænser lithium-ion-batterier, er anoden. Kulstofanoder med lav kapacitet skal bruges i lithium-ion-batterier af sikkerhedsmæssige årsager, da brug af rene lithiummetalanoder kan forårsage farlige kortslutninger og brande.

I modsætning, magnesiummetalanoder er meget sikrere, så et samarbejde mellem magnesiummetal og et fungerende katodemateriale ville gøre et batteri mindre og lagre mere energi.

Tidligere forskning ved hjælp af beregningsmodeller forudsagde, at magnesiumchromoxid (MgCr2O4) kunne være en lovende kandidat til Mg-batterikatoder.

Inspireret af dette arbejde, UCL-forskere producerede en ~5 nm, uordnet magnesiumchromoxidmateriale i en meget hurtig og relativt lav temperaturreaktion.

Samarbejdspartnere ved University of Illinois i Chicago sammenlignede derefter dets magnesiumaktivitet med en konventionel, bestilt magnesium chromoxid materiale ~7 nm bredt.

De brugte en række forskellige teknikker, herunder røntgendiffraktion, Røntgenabsorptionsspektroskopi og banebrydende elektrokemiske metoder til at se de strukturelle og kemiske ændringer, når de to materialer blev testet for magnesiumaktivitet i en celle.

De to typer krystaller opførte sig meget forskelligt, med de uordnede partikler, der viser reversibel magnesiumekstraktion og -indsættelse, sammenlignet med fraværet af sådan aktivitet i større, bestilte krystaller.

"Dette tyder på, at fremtiden for batterier kan ligge i uordnede og ukonventionelle strukturer, hvilket er en spændende udsigt, og en vi ikke har udforsket før, da uorden normalt giver anledning til problemer i batterimaterialer. Det fremhæver vigtigheden af ​​at se, om andre strukturelt defekte materialer kan give yderligere muligheder for reversibel batterikemi," forklarede professor Jawwad Darr (UCL Chemistry).

"Vi ser en forøgelse af overfladearealet, og at inkludere uorden i krystalstrukturen tilbyder nye muligheder for vigtig kemi at finde sted sammenlignet med ordnede krystaller.

Konventionelt, rækkefølge er ønsket for at give klare diffusionsveje, tillader celler at blive opladet og afladet nemt - men hvad vi har set tyder på, at en uordnet struktur introducerer nye, tilgængelige diffusionsveje, der skal undersøges nærmere, " sagde professor Jordi Cabana (University of Illinois i Chicago).

Disse resultater er resultatet af et spændende nyt samarbejde mellem britiske og amerikanske forskere. UCL og University of Illinois i Chicago har til hensigt at udvide deres studier til andre uordnede, materialer med stort overfladeareal, for at muliggøre yderligere gevinster i magnesiumlagringskapacitet og udvikle et praktisk magnesiumbatteri.