Magnesiumbatterijen bieden een belofte voor het veilig voeden van het moderne leven - in tegenstelling tot traditionele lithium-ionbatterijen, ze zijn niet ontvlambaar of kunnen exploderen, maar hun vermogen om energie op te slaan is beperkt.

Onderzoekers rapporteerden 24 augustus in het tijdschrift Natuurcommunicatie de ontdekking van een nieuw ontwerp voor de batterijkathode, de opslagcapaciteit drastisch verhogen en de conventionele wijsheid omver te werpen dat de magnesium-chloride-binding moet worden verbroken voordat magnesium in de gastheer wordt ingebracht.

"We combineren een nanogestructureerde kathode en een nieuw begrip van de magnesiumelektrolyt, " zei Yan Yao, universitair hoofddocent elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Houston en hoofdauteur van het papier. "Dat is nieuw."

Het werk werd voor het eerst bedacht door Yao en postdoctoraal fellow Hyun Deog Yoo in 2014; het project besloeg meerdere jaren en omvatte wetenschappers van drie universiteiten en drie nationale laboratoria, zowel experimenteel als theoretisch werken.

"Het is bekend dat magnesiumionen moeilijk in een gastheer kunnen worden ingebracht, " zei Yo, eerste auteur op papier. "Allereerst, het is erg moeilijk om magnesium-chloride bindingen te verbreken. Meer dan dat, op die manier geproduceerde magnesiumionen bewegen extreem langzaam in de gastheer. Dat verlaagt de efficiëntie van de batterij helemaal."

De nieuwe batterij slaat energie op door magnesiummonochloride in een host te plaatsen, zoals titaniumdisulfide. Door de magnesium-chloridebinding te behouden, Yao zei, de kathode vertoonde een veel snellere diffusie dan traditionele magnesiumversies.

De onderzoekers melden dat de nieuwe batterij een opslagcapaciteit heeft van 400 mAh/g, vergeleken met 100 mAh/g voor eerdere magnesiumbatterijen. Commerciële lithium-ionbatterijen hebben een kathodecapaciteit van ongeveer 200 mAh/g, zei Yao, die ook hoofdonderzoeker is bij het Texas Center for Superconductivity aan de UH.

De spanning van de nieuwe batterij blijft laag op ongeveer één volt. Dat is vergelijkbaar met drie tot vier volt voor lithiumbatterijen.

De hoogspanning, in combinatie met hun hoge energiedichtheid, heeft van lithium-ionbatterijen de standaard gemaakt. Maar lithium is duur en kan breuken veroorzaken in zijn interne structuur, een aandoening die bekend staat als dendrietgroei, waardoor de batterijen vlam kunnen vatten. Als een aarde-overvloedige hulpbron, magnesium is goedkoper en vormt geen dendrieten. Tot nu, echter, het werd tegengehouden door de behoefte aan een betere kathode - de elektrode waaruit de stroom vloeit - en efficiëntere elektrolyten, het medium waardoor de ionische lading tussen kathode en anode stroomt.

Dit werk suggereert een oplossing.

De sleutel, Yoo zei, is om het titaniumdisulfide te expanderen zodat magnesiumchloride kan worden ingebracht - een proces in vier stappen dat intercalatie wordt genoemd - in plaats van de magnesiumchloride-bindingen te verbreken en alleen magnesium in te brengen. Het vasthouden van de magnesium-chloridebinding verdubbelde de lading die de kathode kon opslaan.

De magnesiummonochloridemoleculen zijn te groot om met conventionele methoden in het titaniumdisulfide te worden ingebracht. Voortbouwend op hun eerdere werk, de onderzoekers creëerden een open nanostructuur door de gaten in het titaniumdisulfide met 300 procent uit te breiden, met behulp van organische "pijlers".

De opening was nog klein, verhoogd van 0,57 nanometer naar 1,8 nanometer, maar Yao zei dat het mogelijk was om het magnesiumchloride in te voegen.

"Gecombineerde theoretische modellering, spectroscopische analyse, en elektrochemische studie onthullen snelle diffusiekinetiek van magnesiummonochloride-kationen zonder splitsing van magnesiumchloridebinding, " schreven de onderzoekers. "... De grote capaciteit begeleidt uitstekende snelheids- en fietsprestaties, zelfs bij kamertemperatuur, het openen van mogelijkheden voor een verscheidenheid aan effectieve intercalatie-hosts voor multivalent-ionbatterijen."

"We hopen dat dit een algemene strategie is, Yoo zei. "Door verschillende polyatomaire ionen in hosts met een hogere spanning in te voegen, we streven er uiteindelijk naar om batterijen met een hogere energie te maken tegen een lagere prijs, vooral voor elektrische voertuigen."