Твердотельные магниевые-ионные батареи: безопаснее и эффективнее литиевых

Еще рано обещать более емкие твердотельные батареи, которые не взрываются. Однако исследователи Совместного центра исследований энергохранилища разработали твердотельный магниевый-ионный проводник, который значительно приблизит создание негорючих магниевых батарей с большей емкостью хранения энергии.

Причина взрывов литиевых батарей — жидкий электролит, переносящий заряд между анодом и катодом, что делает его потенциально легковоспламеняемым. Магниевый твердотельный проводник, используемый как электролит (не жидкий), огнеупорен. Это значит, в будущем мы не увидим взрывы Samsung Galaxy и iPhone.

Несколько компаний, включая Toyota и KIT, фокусировались на лучшем жидком электролите, но он имеет тенденцию к коррозии других компонентов батареи. Поэтому исследователи захотели попробовать что-то другое. Почему не магний, который имеет более высокую плотность по сравнению с литием и намного более распространен в природе.

Для разработки этой технологии исследователи выбрали магний-скандий-селенид спинель, обладающий подвижностью магния, сравнимой с литиевыми твердотельными электролитами. Узнаем, как им это удалось.

Роль MIT и Аргонна

Команда ученых обратилась за помощью к исследователям MIT, предоставившим вычислительные ресурсы, и Аргоннской национальной лаборатории, задокументировавшей структуру и функцию материала магний-скандий-селенид спинель.

Химик-исследователь Аргонна Барис Кей провел НМР (ядерно-магнитный резонанс) спектроскопию для доказательства того, что ионы магния могут перемещаться через материал так быстро, как предсказывали теоретические исследования. Данные эксперимента включали неизвестную структуру материала со сложными свойствами, что затрудняло понимание.

Помимо твердотельного НМР и синхротронных измерений, применялась традиционная электрохимическая характеристика для достижения этих результатов.

НМР довольно похож на МРТ (магнитно-резонансную томографию), часто используемую в медицине для показа атомов водорода воды в нервах, мышцах и жировой ткани человека. Частота НМР можно настроить для идентификации других элементов, таких как ионы магния или лития в материалах батарей.

Источник: Lawrence Berkeley National Laboratory

Почему магний-скандий-селенид спинель?

Спинелевые структуры выбраны по параметрам дизайна. Они имеют наивысшую подвижность магния с высоким объемом на anion. НМР-релаксометрия и импедансная спектроскопия подтверждают быстрые ионные движения магния с низким барьером миграции. Поскольку импедансная спектроскопия показывает смешанное проводимое поведение, планы по подавлению электронной проводимости должны быть найдены для того, чтобы материал стал практическим твердотельным магниевым электролитом.

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

Наблюдения предполагают, что электронная проводимость вызвана либо внутренними дефектами, либо вторичными не магний-содержащими фазами. Таким образом, понимание дефектной химии в магний-скандий-селенид спинели важно для снижения электронной проводимости. Альтернативный подход к обходу электронной проводимости — спроектировать поверхность как ионно-проводящую, но электронно-изолирующую. Это можно достичь либо через ситу-образование тонкого интерфейса между твердым электролитом материала и электродом, либо экс-ситу покрытием тонким слоем другого материала.

Для обеспечения достойной производительности твердотельной батареи практический покрывающий слой должен показывать достаточное магниевое распространение. Исследовательская команда рассмотрела магниевую диффузию через заметные продукты разложения электролита против магниевого материала, включая бинарный магниевый селенид, магниевый сульфид и магниевый оксид.

Они обнаружили высокие барьеры диффузии в оксиде магния и сульфиде магния, тогда как селенид магния демонстрирует более низкое значение. Потенциальные твердотельные магниевые электролиты (составленные с сульфидами и оксидами) должны обеспечивать генерацию интерфейсных продуктов с лучшей магниевой подвижностью при использовании против магниевого металла, по сравнению с бинарными магниевыми халькогенидами.

Помимо выявления первой спинели с высокой ионной проводимостью магния при комнатной температуре, исследовательская работа также подтверждает ранее обнаруженные правила дизайна для быстрых твердотельных проводников многовалентных ионов. Это обнадеживающий шаг к открытию большего числа твердых тел с быстрой подвижностью магния, которые могут функционировать как электролитные материалы или электроды.

Научная статья: High magnesium mobility in ternary spinel chalcogenides

Эффекты и будущие перспективы

По словам ассистента профессора Бо из Шанхайского университета 交通, исследование будет иметь заметное влияние на энергетический ландшафт. Хотя технология на начальном этапе, в ближайшем будущем она может иметь трансформационное влияние на хранение энергии.

Читайте также: 30 интересных научных экспериментов в интернете

Это звучит революционно и захватывающе, но команда говорит, что все еще требует много доработки перед использованием материала в реальной батарее. Сейчас есть небольшая утечка электронов, которую нужно устранить, но улучшенная ионная подвижность вдохновляет на создание более безопасных коммерческих батарей.