Oplaadbare batterijen op basis van magnesium, in plaats van lithium, hebben het potentieel om de actieradius van elektrische voertuigen uit te breiden door meer energie in kleinere batterijen te stoppen. Maar onvoorziene chemische wegversperringen hebben de wetenschappelijke vooruitgang vertraagd.

En de plaatsen waar vaste stof en vloeistof elkaar ontmoeten - waar de tegengesteld geladen batterij-elektroden interageren met het omringende chemische mengsel dat bekend staat als de elektrolyt - zijn de bekende probleemplekken.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam van het Joint Center for Energy Storage Research van het Amerikaanse ministerie van Energie, geleid door wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), heeft een verrassende reeks chemische reacties ontdekt waarbij magnesium betrokken is die de prestaties van de batterij verminderen, zelfs voordat de batterij kan worden opgeladen.

De bevindingen kunnen relevant zijn voor andere batterijmaterialen, en zou het ontwerp van batterijen van de volgende generatie kunnen sturen in de richting van tijdelijke oplossingen die deze nieuw geïdentificeerde valkuilen vermijden.

Het team gebruikte röntgenexperimenten, theoretische modellering, en supercomputersimulaties om een ​​volledig begrip te ontwikkelen van de chemische afbraak van een vloeibare elektrolyt die optreedt binnen tientallen nanometers van een elektrodeoppervlak dat de prestaties van de batterij verslechtert. Hun bevindingen worden online gepubliceerd in het tijdschrift Chemie van materialen .

De batterij die ze aan het testen waren, bevatte magnesiummetaal als de negatieve elektrode (de anode) in contact met een elektrolyt bestaande uit een vloeistof (een soort oplosmiddel dat bekend staat als diglyme) en een opgelost zout, Mg(TFSI)2.

Hoewel werd aangenomen dat de combinatie van materialen die ze gebruikten compatibel en niet-reactief was in de rusttoestand van de batterij, experimenten bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), een röntgenbron genaamd een synchrotron, ontdekte dat dit niet het geval is en leidde het onderzoek in nieuwe richtingen.

"Mensen dachten dat de problemen met deze materialen zich voordeden tijdens het opladen van de batterij, maar in plaats daarvan gaven de experimenten aan dat er al enige activiteit was, " zei David Prendergast, die de Theory of Nanostructured Materials Facility leidt bij de Molecular Foundry en een van de leiders van de studie was.

"Toen werd het heel interessant, " zei hij. "Wat zou deze reacties kunnen veroorzaken tussen stoffen die onder deze omstandigheden stabiel zouden moeten zijn?"

Onderzoekers van Molecular Foundry ontwikkelden gedetailleerde simulaties van het punt waar de elektrode en het elektrolyt samenkomen, bekend als de interface, wat aangeeft dat er onder ideale omstandigheden geen spontane chemische reacties mogen plaatsvinden, of. De simulaties, Hoewel, hield geen rekening met alle chemische details.

"Voorafgaand aan ons onderzoek, " zei Ethan Crumlin, een ALS-wetenschapper die de röntgenexperimenten coördineerde en samen met Prendergast de studie leidde, "Er waren vermoedens over het gedrag van deze materialen en mogelijke verbanden met slechte batterijprestaties, maar ze waren niet bevestigd in een werkende batterij."

Commercieel populaire lithium-ionbatterijen, die veel draagbare elektronische apparaten (zoals mobiele telefoons, laptops, en elektrisch gereedschap) en een groeiend wagenpark van elektrische voertuigen, shuttle lithiumionen - lithiumatomen die worden opgeladen door een elektron af te werpen - heen en weer tussen de twee batterij-elektroden. Deze elektrodematerialen zijn poreus op atomaire schaal en worden afwisselend geladen of leeggemaakt van lithiumionen wanneer de batterij wordt opgeladen of ontladen.

Bij dit type batterij de negatieve elektrode is meestal samengesteld uit koolstof, die een beperktere capaciteit heeft om deze lithiumionen op te slaan dan andere materialen.

Dus het verhogen van de dichtheid van opgeslagen lithium door een ander materiaal te gebruiken, zou lichter, kleiner, krachtigere batterijen. Met behulp van lithiummetaal in de elektrode, bijvoorbeeld, kan meer lithiumionen in dezelfde ruimte inpakken, hoewel het een zeer reactieve stof is die brandt bij blootstelling aan lucht, en vereist verder onderzoek naar de beste manier om het te verpakken en te beschermen voor stabiliteit op lange termijn.

Magnesiummetaal heeft een hogere energiedichtheid dan lithiummetaal, wat betekent dat u mogelijk meer energie kunt opslaan in een batterij van dezelfde grootte als u magnesium gebruikt in plaats van lithium.

Magnesium is ook stabieler dan lithium. Het oppervlak vormt een zelfbeschermende "geoxideerde" laag omdat het reageert met vocht en zuurstof in de lucht. Maar binnen een batterij, deze geoxideerde laag wordt verondersteld de efficiëntie te verminderen en de levensduur van de batterij te verkorten, dus onderzoekers zoeken naar manieren om de vorming ervan te voorkomen.

Om de vorming van deze laag in meer detail te onderzoeken, het team maakte gebruik van een unieke röntgentechniek die recentelijk bij de ALS is ontwikkeld, genaamd APXPS (omgevingsdruk röntgenfoto-elektronenspectroscopie). Deze nieuwe techniek is gevoelig voor de chemie die optreedt op het grensvlak van een vaste stof en een vloeistof, waardoor het een ideaal hulpmiddel is om de batterijchemie aan het oppervlak van de elektrode te onderzoeken, waar het de vloeibare elektrolyt ontmoet.

Nog voordat er stroom in de testbatterij werd gevoerd, de röntgenresultaten vertoonden tekenen van chemische ontbinding van de elektrolyt, specifiek op het grensvlak van de magnesiumelektrode. De bevindingen dwongen onderzoekers om hun moleculaire schaal van deze materialen en hun interactie te heroverwegen.

Wat ze vaststelden, is dat de zelfstabiliserende, dunne oxide-oppervlaktelaag die zich op het magnesium vormt, heeft defecten en onzuiverheden die ongewenste reacties veroorzaken.

"Het is niet het metaal zelf, of zijn oxiden, dat is een probleem, "Zei Prendergast. "Het is het feit dat je onvolkomenheden in het geoxideerde oppervlak kunt hebben. Deze kleine verschillen worden sites voor reacties. Het voedt zichzelf op deze manier."

Een volgende ronde van simulaties, die mogelijke defecten in het geoxideerde magnesiumoppervlak voorstelde, toonde aan dat defecten in de geoxideerde oppervlaktelaag van de anode magnesiumionen kunnen blootleggen die vervolgens fungeren als vallen voor de moleculen van de elektrolyt.

Als vrij zwevende hydroxide-ionen - moleculen die een enkel zuurstofatoom bevatten gebonden aan een waterstofatoom dat kan worden gevormd als sporen van water reageren met het magnesiummetaal - deze aan het oppervlak gebonden moleculen ontmoeten, ze zullen reageren.

Dit verspilt elektrolyt, de batterij na verloop van tijd uitdrogen. En de producten van deze reacties vervuilen het oppervlak van de anode, de werking van de batterij nadelig beïnvloeden.

Het duurde verschillende iteraties heen en weer, tussen de experimentele en theoretische leden van het team, om een ​​model te ontwikkelen dat consistent is met de röntgenmetingen. De inspanningen werden ondersteund door miljoenen uren rekenkracht in het National Energy Research Scientific Computing Center van het Lab.

Onderzoekers wezen op het belang van toegang tot röntgentechnieken, expertise op nanoschaal, en computerbronnen in hetzelfde Lab.

De resultaten kunnen relevant zijn voor andere soorten batterijmaterialen, te, inclusief prototypes op basis van lithium- of aluminiummetaal. Prendergast zei, "Dit zou een meer algemeen fenomeen kunnen zijn dat de stabiliteit van elektrolyten definieert."

Crumlin heeft toegevoegd, "We zijn al begonnen met het uitvoeren van nieuwe simulaties die ons kunnen laten zien hoe we de elektrolyt kunnen aanpassen om de instabiliteit van deze reacties te verminderen." Hetzelfde, hij zei, het kan mogelijk zijn om het oppervlak van het magnesium aan te passen om een ​​deel van de ongewenste chemische reactiviteit te verminderen of te elimineren.

"In plaats van het zijn eigen interface te laten maken, je zou het zelf kunnen bouwen om de interfacechemie te controleren en te stabiliseren, "voegde hij eraan toe. "Op dit moment leidt het tot oncontroleerbare gebeurtenissen."