De ontwikkeling van zeer efficiënte energieopslagapparaten die hernieuwbare energie kunnen opslaan, is cruciaal voor een duurzame toekomst. In de wereld van vandaag, solid-state oplaadbare lithium-ion (Li ⁺ ) batterijen zijn de stand van de techniek. Maar lithium is een zeldzaam aardmetaal en de afhankelijkheid van de samenleving van het element zal waarschijnlijk leiden tot een snelle afname van hulpbronnen en daaropvolgende prijsstijgingen.

Magnesiumion (Mg ²⁺ )-gebaseerde batterijen hebben aan kracht gewonnen als alternatief voor Li ⁺ . De aardkorst bevat voldoende magnesium en Mg ²⁺ op energie gebaseerde apparaten zouden een hoge energiedichtheid, hoge veiligheid en lage kosten hebben. Maar de brede toepassing van Mg ²⁺ wordt beperkt door zijn slechte geleidbaarheid in vaste stoffen bij kamertemperatuur. Mg ²⁺ heeft een slechte geleidbaarheid in vaste toestand omdat tweewaardige positieve ionen (2+) sterke interacties ondergaan met hun naburige negatieve ionen in een vast kristal, waardoor hun migratie door het materiaal wordt belemmerd.

Deze hindernis werd onlangs overwonnen door een onderzoeksteam van de Tokyo University of Science (TUS). In hun nieuwe studie die online is gepubliceerd op 4 mei 2022 en op 18 mei 2022 in volume 144, nummer 19 van het Journal of the American Chemical Society , rapporteren ze voor de eerste keer, een solid-state Mg ²⁺ geleider met superionische geleidbaarheid van 10 ⁻³ S cm ⁻¹ (de drempel voor praktische toepassing in solid-state batterijen). Deze grootte van geleidbaarheid voor Mg ²⁺ geleiders is de hoogste die tot nu toe is gerapporteerd. Volgens junior universitair hoofddocent Masaaki Sadakiyo van TUS, die de studie leidde:"In dit werk hebben we een klasse materialen gebruikt die metaal-organische raamwerken (MOF's) worden genoemd. MOF's hebben zeer poreuze kristalstructuren, die de ruimte bieden voor efficiënte migratie van Hier hebben we bovendien een 'gastmolecuul', acetonitril, in de poriën van de MOF geïntroduceerd, die erin slaagde de geleidbaarheid van Mg ²⁺ sterk te versnellen De onderzoeksgroep omvatte verder de heer Yuto Yoshida, ook van TUS, professor Teppei Yamada van de Universiteit van Tokyo, en assistent-professor Takashi Toyao en professor Ken-ichi Shimizu van de Hokkaido University. Het artikel werd op 4 mei online beschikbaar gesteld, 2022 en werd gepubliceerd in Volume 144 Issue 19 van het tijdschrift op 18 mei 2022

Het team gebruikte een MOF die bekend staat als MIL-101 als het belangrijkste raamwerk en vervolgens ingekapseld Mg ²⁺ ionen in zijn nanoporiën. In de resulterende MOF-gebaseerde elektrolyt, Mg ²⁺ was losjes verpakt, waardoor de migratie van tweewaardig Mg ²⁺ . mogelijk was ionen. Om de geleidbaarheid van ionen verder te verbeteren, stelde het onderzoeksteam de elektrolyt bloot aan acetonitrildampen, die door de MOF werden geadsorbeerd als gastmoleculen.

Het team onderwierp de voorbereide monsters vervolgens aan een wisselstroomimpedantietest (AC) om de ionische geleidbaarheid te meten. Ze ontdekten dat de Mg ²⁺ elektrolyt vertoonde een superionische geleidbaarheid van 1,9 × 10 ⁻³ S cm ⁻¹ . Dit is de hoogste ooit gerapporteerde geleidbaarheid voor een kristallijne vaste stof die Mg ²⁺ . bevat .

Om het mechanisme achter deze hoge geleidbaarheid te begrijpen, voerden de onderzoekers infraroodspectroscopische en adsorptie-isothermmetingen uit op het elektrolyt. Uit de tests bleek dat de in het raamwerk geadsorbeerde acetonitrilmoleculen een efficiënte migratie van de Mg ²⁺ mogelijk maakten ionen door het lichaam van de vaste elektrolyt.

Deze bevindingen van deze studie onthullen niet alleen de nieuwe MOF-gebaseerde Mg ²⁺ geleider als geschikt materiaal voor batterijtoepassingen, maar bieden ook kritische inzichten in de ontwikkeling van toekomstige solid-state batterijen. "Lange tijd hebben mensen geloofd dat tweewaardige of hogere valentie-ionen niet efficiënt door een vaste stof kunnen worden overgedragen. In deze studie hebben we aangetoond dat als de kristalstructuur en de omringende omgeving goed zijn ontworpen, een vaste stof met hoge geleidbaarheidsgeleider valt goed in het onderzoek", legt Dr. Sadakiyo uit.

Gevraagd naar de toekomstplannen van de onderzoeksgroep, onthult hij dat ze "hopen een verdere bijdrage te leveren aan de samenleving door een tweewaardige geleider te ontwikkelen met een nog hogere ionische geleidbaarheid." + Verder verkennen

Vast natriumelektrolyt dat hoge geleidbaarheid combineert met elektrochemische stabiliteit