Magnesium-Ionen-Festkörperbatterien: Sicherer & effizienter als Lithium

Es ist noch zu früh, um energiedichtere Festkörperbatterien zu versprechen, die nicht explodieren. Doch Forscher am Joint Center for Energy Storage Research haben einen Magnesium-Ionen-Festkörperleiter entwickelt, der weit zur Schaffung nicht entflammbarer Magnesium-Batterien mit höherer Energiespeicherkapazität beiträgt.

Der Grund, warum Lithium-Batterien explodieren: Sie bestehen aus flüssigem Elektrolyten, der Ladung zwischen Anode und Kathode hin- und herträgt – ein potenziell entflammbares Material. Der Magnesium-Festkörperleiter, der als Elektrolyt (nicht flüssig) dienen kann, ist feuerfest. Das bedeutet: In Zukunft werden wir keine Samsung Galaxies und iPhones mehr in Stücke explodieren sehen.

Mehrere Firmen, darunter Toyota und KIT, konzentrierten sich auf bessere Flüssigelektrolyte, diese neigen jedoch dazu, andere Batteriekomponenten zu korrodieren. Also wollten Forscher etwas anderes versuchen. Warum nicht Magnesium, das eine höhere Dichte als Lithium hat und in der Natur weit häufiger vorkommt?

Für die Entwicklung wählten sie Magnesium-Scandium-Selenid-Spinell, der eine Magnesium-Mobilität aufweist, die mit Lithium-Festkörperelektrolyten vergleichbar ist. Schauen wir, wie sie das möglich machten.

Rolle von MIT und Argonne

Das Wissenschaftlerteam holte sich Hilfe von MIT-Forschern, die computergestützte Ressourcen bereitstellten, und vom Argonne National Laboratory, das Struktur und Funktion des Magnesium-Scandium-Selenid-Spinell-Materials dokumentierte.

Ein Forschungschemiker vom Argonne, Baris Key, führte NMR-Kernspinresonanz-Spektroskopie-Tests durch, um zu beweisen, dass Magnesium-Ionen so schnell durch das Material wandern wie in theoretischen Studien vorhergesagt. Die Experimentdaten umfassten unbekannte Materialstruktur mit komplexen Eigenschaften, was das Verständnis erschwerte.

Neben Festkörper-NMR und Synchrotron-Messungen wurde traditionelle elektrochemische Charakterisierung angewendet, um diese Ergebnisse zu ermöglichen.

NMR ähnelt MRT (Magnetresonanztomographie), die in der Medizin Wasserstoffatome in Nerven, Muskeln und Fettgewebe darstellt. NMR-Frequenz kann auf andere Elemente abgestimmt werden, wie Magnesium- oder Lithium-Ionen in Batteriematerialien.

Quelle: Lawrence Berkeley National Laboratory

Warum Magnesium-Scandium-Selenid-Spinell?

Spinell-Strukturen wurden basierend auf Designparametern ausgewählt. Sie weisen die höchste Magnesium-Mobilität mit hohem Volumen pro Anion auf. NMR-Relaxometrie und Impedanzspektroskopie bestätigen schnelle Magnesium-Ionen-Bewegung mit niedriger Migrationsbarriere. Da die Impedanzspektroskopie gemischtes Leitverhalten zeigt, sollten Pläne zur Unterdrückung elektronischer Leitfähigkeit verfolgt werden, damit das Material als praktischer Festkörper-Magnesium-Elektrolyt nutzbar wird.

Zwei fundamentale Phänomene, die die Herstellung von Festkörper-Magnesium-Elektrolyten erheblich beeinflussen könnten – die Rolle von Punktdefekten und der Einfluss von Inversion auf Magnesium-Mobilität und Elektrochemie – sind beide in Chemistry of Materials veröffentlicht.

Beobachtungen deuten darauf hin, dass elektronische Leitfähigkeit entweder durch intrinsische Defekte oder durch sekundäre nicht-magnesiumhaltige Phasen verursacht wird. Daher ist das Verständnis der Defektchemie im Magnesium-Scandium-Selenid-Spinell wichtig, um elektronische Leitfähigkeit zu reduzieren. Ein alternativer Ansatz zur Umgehung elektronischer Leitung ist die Oberflächenmodifikation zu ionenleitend, aber elektronenisolierend. Dies kann entweder durch in-situ-Bildung einer dünnen Grenzfläche zwischen Festkörperelektrolyt und Elektrode oder durch ex-situ-Beschichtung einer dünnen Schicht eines anderen Materials erreicht werden.

Für anständige Leistung einer Festkörperbatterie muss die praktische Beschichtungsschicht ausreichende Magnesium-Mobilität zeigen. Das Team untersuchte Magnesium-Diffusion über bemerkenswerte Elektrolytzersetzungsprodukte gegen Magnesiummaterial, einschließlich binärem Magnesiumselenid, Magnesiumsulfid und Magnesiumoxid.

Sie entdeckten hohe Diffusionsbarrieren in Magnesiumoxid und Magnesiumsulfid, während Magnesiumselenid niedrigere Werte aufweist. Daher müssen potenzielle Magnesium-Festkörperelektrolyte (die mit Sulfiden und Oxiden zusammengesetzt sind) die Bildung von Grenzflächenprodukten mit besserer Magnesium-Mobilität bei Kontakt mit Magnesiummetall sicherstellen, im Vergleich zu binären Magnesium-Chalkogeniden.

Neben der Identifizierung des ersten Spinells mit hoher Magnesium-Ionen-Leitfähigkeit bei Raumtemperatur validiert die Forschungsarbeit auch die früher erkannten Designregeln für schnelle mehrwertige-Ionen-Festleiter. Dies ist ein ermutigender Schritt zur Entdeckung weiterer Festkörper mit schneller Magnesium-Mobilität, die als Elektrolytmaterialien oder Elektroden fungieren könnten.

Forschungspapier: High magnesium mobility in ternary spinel chalcogenides

Auswirkungen und Zukunftsaussichten

Laut Assistenzprofessor Bo an der Shanghai Jiao Tong University würde die Forschung die Energielandschaft maßgeblich beeinflussen. Obwohl die Technologie in einem frühen Stadium ist, könnte sie in naher Zukunft transformative Auswirkungen auf Energiespeicherung haben.

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Es klingt bahnbrechend und spannend, aber das Team sagt, es sei noch viel Feinarbeit nötig, bevor das Material in einer echten Batterie eingesetzt werden kann. Derzeit gibt es eine geringe Elektronenleckage, die beseitigt werden muss, aber die verbesserte Ionenmobilität ist vielversprechend für sicherere kommerzielle Batterien.