Magnesium-ion solid-state batterijen:veiliger en efficiënter dan lithium

Het is nog vrij vroeg om vastestofbatterijen met een hogere energiedichtheid te beloven die niet ontploffen. Onderzoekers van het Joint Center for Energy Storage Research hebben echter een magnesium-ion-vastestofgeleider ontwikkeld die een grote bijdrage zal leveren aan de ontwikkeling van niet-ontvlambare magnesiumbatterijen met meer energieopslagcapaciteit.

De reden waarom lithiumbatterijen exploderen is dat ze gemaakt zijn van vloeibare elektrolyt die lading heen en weer transporteert tussen anode en kathode, en dit maakt het potentieel brandbaar materiaal. Magnesium-vastestofgeleider, die kan worden gebruikt als elektrolyt (niet vloeibaar), is echter brandwerend. Dit betekent dat we in de toekomst geen Samsung Galaxies en iPhones in stukken zullen zien barsten.

Verschillende bedrijven, waaronder Toyota en KIT, hebben zich geconcentreerd op het bouwen van een beter vloeibaar elektrolyt, maar ze hebben de neiging de andere componenten van de batterij te corroderen. Daarom wilden onderzoekers iets anders proberen. Waarom niet Magnesium, dat een hogere dichtheid heeft in vergelijking met lithium en veel overvloediger van aard is.

Om deze technologie te ontwikkelen hebben onderzoekers magnesiumscandiumselenide-spinel geselecteerd , dat een magnesiummobiliteit heeft die vergelijkbaar is met lithiumvastestofelektrolyten. Laten we eens kijken hoe ze dit mogelijk hebben gemaakt.

Rol van MIT en Argonne

Het team van wetenschappers kreeg de hulp van MIT-onderzoekers die rekenhulpmiddelen aanboden, en het Argonne National Laboratory dat de structuur en functie van magnesiumscandiumselenide-spinelmateriaal documenteerde.

Een onderzoekschemicus uit Argonne, Baris Key, voerde NMR-spectroscopietests (Nuclear Magnetic Resonance) uit om te bewijzen dat magnesiumionen net zo snel door materiaal kunnen reizen als voorspeld in theoretische studies. De gegevens in het experiment hadden betrekking op een onbekende materiaalstructuur met complexe eigenschappen, waardoor het vrij moeilijk te begrijpen was.

Naast solid-state NMR- en synchrotronmetingen werd traditionele elektrochemische karakterisering toegepast om deze bevindingen mogelijk te maken.

NMR lijkt veel op MRI (Magnetic Resonance Imaging), dat in de medische wereld vaak wordt gebruikt om waterstofatomen van water in menselijke zenuwen, spieren en vetweefsel aan te tonen. De NMR-frequentie kan worden afgestemd om andere elementen te identificeren, zoals magnesium- of lithiumionen die aanwezig zijn in batterijmaterialen.

Bron:Lawrence Berkeley National Laboratory

Waarom Magnesium Scandium Selenide Spinel?

De spinelstructuren werden geselecteerd op basis van de ontwerpparameters. Deze structuren hebben de hoogste magnesiummobiliteit met een hoog volume per anion. Ook bevestigen NMR-relaxometrie en impedantiespectroscopie de snelle beweging van magnesiumionen met een lage migratiebarrière. Omdat de impedantiespectroscopie gemengd geleidingsgedrag vertoont, moeten er plannen worden gezocht om de elektronische geleidbaarheid te onderdrukken, zodat het materiaal een vaste magnesium-elektrolyt wordt die praktisch kan worden gebruikt.

De twee fundamentele fenomenen die een significante invloed kunnen hebben op de productie van vaste-stof-magnesiumelektrolyten – de rol van puntdefecten en de invloed van inversie op de mobiliteit en elektrochemie van magnesium. Beide artikelen zijn gepubliceerd in Chemistry of Materials.

Waarnemingen suggereren dat de elektronische geleidbaarheid wordt veroorzaakt door de intrinsieke defecten of door secundaire niet-magnesiumbevattende fasen. Het begrijpen van de defectchemie in magnesiumscandiumselenide-spinel is dus heel belangrijk om de elektronische geleidbaarheid te verminderen. Een alternatieve benadering om elektronische geleiding te omzeilen, is door het oppervlak zo te ontwerpen dat het ionengeleidend maar elektronenisolerend is. Dit kan worden bereikt door ter plaatse een dun grensvlak te vormen tussen de vaste-stofelektrolyt en de elektrode van het materiaal, of door ex situ coating van een dunne laag van ander materiaal.

Om fatsoenlijke prestaties van een solid-state batterij te garanderen, moet de praktische coatinglaag voldoende magnesiummobiliteit vertonen. Het onderzoeksteam heeft gekeken naar de diffusie van magnesium via opmerkelijke afbraakproducten van elektrolyten tegen magnesiummateriaal, waaronder het binaire magnesiumselenide, magnesiumsulfide en magnesiumoxide.

Ze ontdekten hoge diffusiebarrières in magnesiumoxide en magnesiumsulfide, terwijl magnesiumselenide een lagere waarde vertoont. Daarom moeten potentiële vaste-stofelektrolyten van Magnesium (die zijn samengesteld uit sulfiden en oxiden) zorgen voor de productie van grensvlakproducten met een betere magnesiummobiliteit bij gebruik tegen magnesiummetaal, in vergelijking met binaire magnesiumchalcogeniden.

Naast het identificeren van de eerste spinel met magnesiumionengeleidingsvermogen bij hoge kamertemperatuur, valideert het onderzoekswerk ook de eerder gedetecteerde ontwerpregels voor snelle vaste geleiders met meerwaardige ionen. Dit is een bemoedigende stap in de richting van het ontdekken van meer vaste stoffen met snelle magnesiummobiliteit, die zouden kunnen functioneren als elektrolytmaterialen of elektrode.

Onderzoekspaper: Hoge magnesiummobiliteit in ternaire spinel-chalcogeniden

Effecten en toekomstige reikwijdte

Volgens assistent-professor Bo van de Shanghai Jiao Tong Universiteit zou het onderzoek een opmerkelijk effect hebben op het energielandschap. Hoewel de technologie zich nog in de beginfase bevindt, kan deze in de nabije toekomst een transformerende impact hebben op de energieopslag.

Lees:30 interessante wetenschappelijke experimenten op internet

Het klinkt baanbrekend en spannend, maar het team zegt dat er nog veel inrichtingswerk nodig is voordat het materiaal in een daadwerkelijke batterij kan worden gebruikt. Momenteel is er een kleine hoeveelheid elektronenlekkage die moet worden verwijderd, maar de verbeterde ionenmobiliteit is bemoedigend voor veiligere commerciële batterijen.