Магниево-ионные твердотельные аккумуляторы:безопаснее и эффективнее, чем литиевые

Пока еще рано обещать создание более энергоемких твердотельных батарей, которые не взрываются. Однако исследователи из Объединенного центра исследований в области хранения энергии разработали твердотельный проводник с ионами магния, который будет иметь большое значение для создания негорючих магниевых батарей с большей емкостью хранения энергии.

Причина, по которой литиевые батареи взрываются, заключается в том, что они состоят из жидкого электролита, который переносит заряд между анодом и катодом, и это делает их потенциально легковоспламеняющимися материалами. Однако магниевый твердотельный проводник, в качестве электролита (не жидкости) которого можно использовать, является огнестойким. Это означает, что в будущем мы не увидим, как Samsung Galaxy и iPhone разваливаются на части.

Несколько компаний, в том числе Toyota и KIT, сосредоточились на создании более качественного жидкого электролита, но они имеют тенденцию вызывать коррозию других компонентов аккумулятора. Итак, исследователи захотели попробовать что-то другое. Почему бы не магний, который имеет более высокую плотность по сравнению с литием и гораздо более распространен в природе.

Для разработки этой технологии исследователи выбрали селенидную шпинель магния, скандия. , который имеет подвижность магния, сравнимую с литиевыми твердотельными электролитами. Давайте узнаем, как они сделали это возможным.

Роль Массачусетского технологического института и Аргонна

Команда ученых воспользовалась помощью исследователей Массачусетского технологического института, которые предложили вычислительные ресурсы, и Аргоннской национальной лаборатории, которая задокументировала структуру и функцию шпинели из селенида магния, скандия.

Химик-исследователь из Аргонна Барис Ки провел тесты спектроскопии ЯМР (ядерного магнитного резонанса), чтобы доказать, что ионы магния могут проходить через материал так быстро, как предсказывают теоретические исследования. Данные эксперимента включали неизвестную структуру материала со сложными свойствами, что затрудняло понимание.

Чтобы сделать эти выводы возможными, наряду с твердотельным ЯМР и синхротронными измерениями, были применены традиционные электрохимические характеристики.

ЯМР очень похож на МРТ (магнитно-резонансную томографию), которая часто используется в медицине для выявления атомов водорода воды в нервах, мышцах и жировой ткани человека. Частоту ЯМР можно настроить для идентификации других элементов, таких как ионы магния или лития, присутствующих в материалах батареи.

Источник: Национальная лаборатория Лоуренса Беркли

Почему шпинель селенида магния, скандия?

Структуры шпинели подбирались исходя из конструктивных параметров. Эти структуры имеют самую высокую подвижность магния с большим объемом на анион. Кроме того, ЯМР-релаксометрия и импедансная спектроскопия подтверждают быстрое движение ионов магния с низким миграционным барьером. Поскольку импедансная спектроскопия показывает смешанное поведение проводимости, необходимо разработать планы по подавлению электронной проводимости, чтобы материал стал твердотельным магниевым электролитом, который можно было бы использовать практически.

Два фундаментальных явления, которые могут существенно повлиять на создание твердотельных магниевых электролитов - роль точечных дефектов и влияние инверсии на подвижность магния и электрохимию, - обе статьи опубликованы в журнале Chemistry of Materials.

Наблюдения позволяют предположить, что электронная проводимость обусловлена либо собственными дефектами, либо вторичными немагнийсодержащими фазами. Таким образом, понимание дефектной химии селенид-шпинели магния-скандия весьма важно для снижения электронной проводимости. Альтернативный подход к обходу электронной проводимости — сделать его поверхность проводящей ионы, но изолирующей электроны. Этого можно достичь либо за счет формирования на месте тонкой границы между твердотельным электролитом материала и электродом, либо путем покрытия ex situ тонкого слоя другого материала.

Чтобы обеспечить достойную работу твердотельной батареи, слой практического покрытия должен обладать достаточной подвижностью магния. Исследовательская группа рассмотрела диффузию магния через заметные продукты разложения электролита в отношении магниевого материала, включая бинарный селенид магния, сульфид магния и оксид магния.

Они обнаружили высокие диффузионные барьеры в оксиде магния и сульфиде магния, в то время как селенид магния имеет более низкое значение. Следовательно, потенциальные твердотельные электролиты магния (состоящие из сульфидов и оксидов) должны обеспечивать образование межфазных продуктов с лучшей подвижностью магния при использовании с металлическим магнием по сравнению с бинарными халькогенидами магния.

Помимо идентификации первой шпинели с ионной проводимостью магния при высокой комнатной температуре, исследовательская работа также подтверждает ранее обнаруженные правила проектирования быстрых твердых проводников с многовалентными ионами. Это обнадеживающий шаг на пути к открытию большего количества твердых тел с быстрой подвижностью магния, которые могли бы функционировать в качестве электролитных материалов или электродов.

Исследовательская статья: Высокая подвижность магния в тройных халькогенидах шпинели

Эффекты и будущие масштабы

По словам доцента Бо Шанхайского университета Цзяо Тонг, исследование окажет заметное влияние на энергетический ландшафт. Хотя технология находится на начальной стадии, в ближайшем будущем она может оказать преобразующее влияние на хранение энергии.

Читайте:30 интересных научных экспериментов в Интернете

Это звучит новаторски и захватывающе, но команда говорит, что потребуется еще много работы по отделке, прежде чем материал можно будет использовать в настоящей батарее. В настоящее время существует небольшая утечка электронов, которую необходимо устранить, но улучшенная подвижность ионов способствует созданию более безопасных коммерческих батарей.