Oplaadbare magnesiumbatterijen (MRB's), waar Mg-metaal met hoge capaciteit als anodemateriaal wordt gebruikt, zijn veelbelovende kandidaten voor batterijen van de volgende generatie vanwege hun energiedichtheid, veiligheid, en kosten. Echter, het ontbreken van hoogwaardige kathodematerialen belemmert hun ontwikkeling.

Net als hun lithium-ion-tegenhangers, overgangsmetaaloxiden zijn de belangrijkste kathodematerialen in MRB's. Toch vormt de langzame diffusie van Mg-ionen in de oxiden een ernstig probleem. Om dit te overwinnen, sommige onderzoekers hebben op zwavel gebaseerde materialen onderzocht. Maar op zwavel gebaseerde kathoden voor MRB's hebben ernstige beperkingen:lage elektronische geleidbaarheid, trage Mg-diffusie in vaste Mg-S-verbindingen, en oplosbaarheid van polysulfiden in elektrolyten, wat resulteert in een laag vermogen en een slechte recycleerbaarheid.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam, waaronder Dr. Shimokawa van de Tohoku University en professor Ichitsubo, heeft vloeibare-zwavel/sulfide-composietkathoden ontwikkeld die hoogwaardige magnesiumbatterijen mogelijk maken. Hun paper is gepubliceerd in de Journal of Materials Chemistry A .

De vloeibare-zwavel/sulfide-composietmaterialen kunnen spontaan worden vervaardigd door elektrochemisch oxiderende metaalsulfiden, zoals ijzersulfide, in een ionische vloeibare elektrolyt bij 150. Het composietmateriaal vertoonde hoge prestaties in capaciteit, potentieel, fietsbaarheid, en tariefmogelijkheden.

De onderzoekers bereikten een ontlaadcapaciteit van ~900 mAh/g bij een hoge stroomdichtheid van 1246 mA/g op basis van de massa actieve zwavel. In aanvulling, ze onthulden dat het ontladingspotentieel werd verbeterd door gebruik te maken van niet-evenwichtszwavel gevormd door snellaadprocessen.

Dit materiaal zorgde voor een stabiele kathodeprestatie bij 150 gedurende meer dan 50 cycli. Een dergelijke hoge recycleerbaarheid kan worden toegeschreven aan de volgende punten:hoge structurele omkeerbaarheid van het actieve materiaal in vloeibare toestand, lage oplosbaarheid van polysulfiden in de ionische vloeibare elektrolyt, en hoge benuttingsverhouding van zwavel vanwege zijn hechting aan geleidende sulfidedeeltjes die een poreuze morfologie vormen tijdens de synthese van de composietmaterialen.

Ondanks de vooruitgang van de onderzoekers, verschillende problemen blijven. "We hebben elektrolyten nodig die compatibel zijn met zowel de kathode- als de anodematerialen, omdat de ionische vloeistof die in dit werk wordt gebruikt de Mg-metaalanode passiveert, " zei Shimokawa. "In de toekomst, het is belangrijk om nieuwe elektrochemisch stabiele elektrolyten te ontwikkelen om MRB's praktischer te maken voor wijdverbreid gebruik."

Hoewel MRB's zich nog in de ontwikkelingsfase bevinden, het onderzoeksteam is hoopvol dat hun werk een nieuwe manier biedt om vloeibare zwavel te gebruiken als kathodematerialen met hoge snelheid voor MRB's. "Dit zou de verbetering van op zwavel gebaseerde materialen stimuleren voor het bereiken van hoogwaardige batterijen van de volgende generatie, ’ voegde Shimokawa eraan toe.