Een team van wetenschappers van het Department of Energy (DOE) van het Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) heeft de snelste magnesium-ion solid-state geleider ontdekt, een belangrijke stap in de richting van het maken van solid-state magnesium-ionbatterijen die zowel energiedicht als veilig zijn.

de elektrolyt, die lading heen en weer vervoert tussen de kathode en anode van de batterij, is een vloeistof in alle commerciële batterijen, waardoor ze potentieel ontvlambaar zijn, vooral in lithium-ionbatterijen. Een vastestofgeleider, die het potentieel heeft om een ​​elektrolyt te worden, veel meer brandwerend zou zijn.

Onderzoekers van DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en Argonne National Laboratory werkten aan een magnesiumbatterij, die een hogere energiedichtheid biedt dan lithium, maar werden gedwarsboomd door het gebrek aan goede opties voor een vloeibare elektrolyt, waarvan de meeste de neiging hebben om corrosief te zijn tegen andere delen van de batterij. "Magnesium is zo'n nieuwe technologie, het heeft geen goede vloeibare elektrolyten, " zei Gerbrand Ceder, een Berkeley Lab Senior Faculty Scientist. "Wij dachten, waarom niet overhaast en een elektrolyt in vaste toestand maakt?"

Het materiaal dat ze bedachten, magnesium scandium selenide spinel, heeft magnesiummobiliteit vergelijkbaar met vastestofelektrolyten voor lithiumbatterijen. Hun bevindingen werden gerapporteerd in Natuurcommunicatie in een paper getiteld, "Hoge magnesiummobiliteit in ternaire spinel-chalcogeniden." JCESR, een DOE-innovatiehub, de studie gesponsord, en de hoofdauteurs zijn Pieremanuele Canepa en Shou-Hang Bo, postdoctorale fellows bij Berkeley Lab.

"Met de hulp van een gezamenlijke inspanning die computationele materiaalwetenschapsmethodologieën samenbrengt, synthese, en een verscheidenheid aan karakteriseringstechnieken, we hebben een nieuwe klasse vaste geleiders geïdentificeerd die magnesiumionen met ongekende snelheid kunnen transporteren, ' zei Canepa.

Samenwerking met MIT en Argonne

Het onderzoeksteam omvatte ook wetenschappers van het MIT, die computerbronnen leverde, en Argonne, die de belangrijkste experimentele bevestiging van het magnesium scandium selenide spinel materiaal leverde om de structuur en functie ervan te documenteren.

Co-auteur Baris Key, een onderzoekschemicus in Argonne, kernmagnetische resonantie (NMR) spectroscopie-experimenten uitgevoerd. Deze tests waren een van de eerste stappen om experimenteel te bewijzen dat magnesiumionen zo snel door het materiaal konden bewegen als de theoretische studies hadden voorspeld.

"Het was cruciaal om het snelle magnesiumhoppen experimenteel te bevestigen. Het komt niet vaak voor dat de theorie en het experiment nauw met elkaar overeenkomen, " Key zei. "De NMR-experimenten in vaste toestand voor deze chemie waren zeer uitdagend en zouden niet mogelijk zijn zonder toegewijde middelen en een financieringsbron zoals JCESR. Zoals we in deze studie hebben aangetoond, een diepgaand begrip van de structuur en ionendynamiek op korte en lange afstand zal de sleutel zijn voor onderzoek naar magnesiumionbatterijen."

NMR is verwant aan magnetische resonantie beeldvorming (MRI), die routinematig wordt gebruikt in medische instellingen, waar het waterstofatomen van water in menselijke spieren laat zien, zenuwen, vetweefsel, en andere biologische stoffen. Maar onderzoekers kunnen ook de NMR-frequentie afstemmen om andere elementen te detecteren, inclusief de lithium- of magnesiumionen die in batterijmaterialen worden aangetroffen.

De NMR-gegevens van het magnesiumscandiumselenidemateriaal, echter, betrokken materiaal van onbekende structuur met complexe eigenschappen, waardoor ze moeilijk te interpreteren zijn.

Canepa merkte de uitdagingen op van het testen van materialen die zo nieuw zijn. "Protocollen bestaan ​​in principe niet, " zei hij. "Deze bevindingen waren alleen mogelijk door een multi-techniekbenadering (solid-state NMR en synchrotronmetingen in Argonne) te combineren met conventionele elektrochemische karakterisering."

Het onmogelijke doen

Het team is van plan om verder te werken om de geleider in een batterij te gebruiken. "Dit heeft waarschijnlijk nog een lange weg te gaan voordat je er een batterij van kunt maken, maar het is de eerste demonstratie dat je solid-state materialen kunt maken met een echt goede magnesiummobiliteit erdoorheen, Ceder zei. "Van magnesium wordt gedacht dat het langzaam beweegt in de meeste vaste stoffen, dus niemand dacht dat dit mogelijk zou zijn."

Aanvullend, het onderzoek identificeerde twee verwante fundamentele fenomenen die de ontwikkeling van vaste magnesiumelektrolyten in de nabije toekomst aanzienlijk zouden kunnen beïnvloeden, namelijk, de rol van anti-site defecten en het samenspel van elektronische en magnesium geleidbaarheid, beide onlangs gepubliceerd in Chemistry of Materials.

Bo, nu een assistent-professor aan de Shanghai Jiao Tong University, zei dat de ontdekking een dramatisch effect zou kunnen hebben op het energielandschap. "Dit werk bracht een geweldig team van wetenschappers uit verschillende wetenschappelijke disciplines samen, en nam de eerste stap in de enorme uitdaging om een ​​solid-state magnesiumbatterij te bouwen, " zei hij. "Hoewel het momenteel in de kinderschoenen staat, deze opkomende technologie kan in de nabije toekomst een transformerende impact hebben op energieopslag."

Gopalakrishnan Sai Gautam, een andere co-auteur die een filiaal was bij Berkeley Lab en nu bij Princeton, zei dat de teamaanpak mogelijk gemaakt door een DOE-hub zoals JCESR van cruciaal belang was. "Het werk toont het belang aan van het gebruik van een verscheidenheid aan theoretische en experimentele technieken in een zeer collaboratieve omgeving om belangrijke fundamentele ontdekkingen te doen, " hij zei.

Ceder was enthousiast over de vooruitzichten voor de bevinding, maar waarschuwde dat er nog werk aan de winkel is. "Er zijn enorme inspanningen in de industrie om een ​​solid-state batterij te maken. Het is de heilige graal omdat je de ultieme veilige batterij zou hebben. Maar we hebben nog werk te doen. Dit materiaal vertoont een kleine hoeveelheid elektronenlekkage, dat moet worden verwijderd voordat het in een batterij kan worden gebruikt."