Magnesium-Ionen-Festkörperbatterien:Sicherer und effizienter als Lithium

Es ist noch recht früh, Festkörperbatterien mit höherer Energiedichte zu versprechen, die nicht explodieren. Allerdings haben Forscher am Joint Center for Energy Storage Research einen Magnesiumionen-Festkörperleiter entwickelt, der einen großen Beitrag zur Herstellung nicht brennbarer Magnesiumbatterien mit mehr Energiespeicherkapazität leisten wird.

Der Grund, warum Lithiumbatterien explodieren, liegt darin, dass sie aus flüssigem Elektrolyt bestehen, der Ladung zwischen Anode und Kathode hin und her transportiert, was sie zu einem potenziell brennbaren Material macht. Allerdings ist Magnesium-Festkörperleiter, der als Elektrolyt (nicht flüssig) verwendet werden kann, feuerbeständig. Das bedeutet, dass wir in Zukunft keine Samsung-Galaxien und iPhones mehr erleben werden, die in Stücke brechen.

Mehrere Unternehmen, darunter Toyota und KIT, haben sich auf die Entwicklung eines besseren flüssigen Elektrolyten konzentriert, neigen jedoch dazu, die anderen Komponenten der Batterie zu korrodieren. Deshalb wollten die Forscher etwas anderes ausprobieren. Warum nicht Magnesium, das im Vergleich zu Lithium eine höhere Dichte hat und in der Natur weitaus häufiger vorkommt?

Um diese Technologie zu entwickeln, haben Forscher Magnesium-Scandium-Selenid-Spinell ausgewählt , dessen Magnesiummobilität mit Lithium-Festkörperelektrolyten vergleichbar ist. Finden wir heraus, wie sie es möglich gemacht haben.

Rolle von MIT und Argonne

Das Wissenschaftlerteam nahm Hilfe von MIT-Forschern in Anspruch, die Rechenressourcen zur Verfügung stellten, und vom Argonne National Laboratory, das die Struktur und Funktion des Magnesium-Scandium-Selenid-Spinell-Materials dokumentierte.

Ein Forschungschemiker aus Argonne, Baris Key, führte NMR-Spektroskopietests (Nuclear Magnetic Resonance) durch, um zu beweisen, dass Magnesiumionen sich so schnell durch Material bewegen können, wie in theoretischen Studien vorhergesagt. Die Daten im Experiment beinhalteten eine unbekannte Materialstruktur mit komplexen Eigenschaften, was das Verständnis ziemlich schwierig machte.

Um diese Erkenntnisse zu ermöglichen, wurden neben Festkörper-NMR- und Synchrotronmessungen auch traditionelle elektrochemische Charakterisierungen eingesetzt.

NMR ist der MRT (Magnetresonanztomographie) sehr ähnlich, die in der Medizin häufig zur Darstellung von Wasserstoffatomen von Wasser in menschlichen Nerven, Muskeln und Fettgewebe eingesetzt wird. Die NMR-Frequenz kann angepasst werden, um andere Elemente wie Magnesium- oder Lithiumionen zu identifizieren, die in Batteriematerialien vorhanden sind.

Quelle: Lawrence Berkeley National Laboratory

Warum Magnesium-Scandiumselenid-Spinell?

Die Spinellstrukturen wurden anhand der Designparameter ausgewählt. Diese Strukturen weisen die höchste Magnesiummobilität mit hohem Volumen pro Anion auf. Auch NMR-Relaxometrie und Impedanzspektroskopie bestätigen die schnelle Magnesiumionenbewegung mit einer niedrigen Migrationsbarriere. Da die Impedanzspektroskopie ein gemischtes Leitungsverhalten zeigt, sollten Pläne zur Unterdrückung der elektronischen Leitfähigkeit gesucht werden, damit aus dem Material ein fester Magnesiumelektrolyt wird, der praktisch verwendet werden kann.

Die beiden grundlegenden Phänomene, die die Herstellung von Festkörper-Magnesiumelektrolyten erheblich beeinflussen könnten – die Rolle von Punktdefekten und der Einfluss der Inversion auf die Magnesiummobilität und Elektrochemie – beide Artikel wurden in Chemistry of Materials veröffentlicht.

Beobachtungen deuten darauf hin, dass die elektronische Leitfähigkeit entweder durch intrinsische Defekte oder durch sekundäre, nicht Magnesium enthaltende Phasen verursacht wird. Daher ist das Verständnis der Defektchemie im Magnesium-Scandium-Selenid-Spinell sehr wichtig, um die elektronische Leitfähigkeit zu reduzieren. Ein alternativer Ansatz zur Umgehung der elektronischen Leitung besteht darin, die Oberfläche so zu gestalten, dass sie ionenleitfähig, aber elektronenisolierend ist. Dies kann entweder durch die Bildung einer dünnen Grenzfläche zwischen dem Festkörperelektrolyten und der Elektrode des Materials vor Ort oder durch die Ex-situ-Beschichtung einer dünnen Schicht aus einem anderen Material erreicht werden.

Um eine angemessene Leistung einer Festkörperbatterie zu gewährleisten, muss die praktische Beschichtungsschicht eine ausreichende Magnesiummobilität aufweisen. Das Forschungsteam untersuchte die Magnesiumdiffusion über bemerkenswerte Elektrolytzersetzungsprodukte gegen Magnesiummaterial, einschließlich der binären Magnesiumselenid, Magnesiumsulfid und Magnesiumoxid.

Sie entdeckten hohe Diffusionsbarrieren in Magnesiumoxid und Magnesiumsulfid, während Magnesiumselenid einen geringeren Wert aufweist. Daher müssen potenzielle Magnesium-Festkörperelektrolyte (die aus Sulfiden und Oxiden bestehen) die Erzeugung von Grenzflächenprodukten mit besserer Magnesiummobilität bei Verwendung gegen Magnesiummetall im Vergleich zu binären Magnesiumchalkogeniden sicherstellen.

Neben der Identifizierung des ersten Spinells mit hoher Magnesium-Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur validiert die Forschungsarbeit auch die zuvor ermittelten Designregeln für schnelle multivalente Ionen-Feststoffleiter. Dies ist ein ermutigender Schritt zur Entdeckung weiterer Feststoffe mit schneller Magnesiummobilität, die als Elektrolytmaterialien oder Elektrode fungieren könnten.

Forschungsbericht: Hohe Magnesiummobilität in ternären Spinellchalkogeniden

Auswirkungen und zukünftiger Umfang

Laut Bo, Assistenzprofessor an der Shanghai Jiao Tong University, hätte die Forschung erhebliche Auswirkungen auf die Energielandschaft. Obwohl sich die Technologie noch im Anfangsstadium befindet, könnte sie in naher Zukunft transformative Auswirkungen auf die Energiespeicherung haben.

Lesen Sie:30 interessante wissenschaftliche Experimente im Internet

Es klingt bahnbrechend und aufregend, aber das Team sagt, dass noch viel Einrichtungsarbeit erforderlich ist, bevor das Material in einer tatsächlichen Batterie verwendet werden kann. Derzeit gibt es einen geringen Elektronenverlust, der beseitigt werden muss, aber die verbesserte Ionenmobilität ist ermutigend für sicherere kommerzielle Batterien.