Wetenschappers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Department of Energy hebben een nieuwe benadering ontdekt voor het ontwikkelen van een oplaadbare niet-waterige magnesium-metaalbatterij.

Een proof-of-concept paper gepubliceerd in Natuurchemie gedetailleerd hoe de wetenschappers een methode hebben ontwikkeld om de omkeerbare chemie van magnesiummetaal in de niet-corrosieve op carbonaat gebaseerde elektrolyten mogelijk te maken en het concept in een prototypecel hebben getest. De technologie biedt potentiële voordelen ten opzichte van lithium-ionbatterijen, met name hogere energiedichtheid, grotere stabiliteit, en lagere kosten.

NREL-onderzoekers (van links) Seoung-Bum Son, Steve Harvey, Andrew Norman en Chunmei Ban zijn co-auteurs van de Natuurchemie wit papier, "Een kunstmatige interfase maakt omkeerbare magnesiumchemie in carbonaatelektrolyten mogelijk" werkend met een time-of-flight secundaire ionenmassaspectrometrie. Met het apparaat kunnen ze materiaaldegradatie en faalmechanismen op micro- tot nanoschaal onderzoeken. (Foto door Dennis Schroeder / NREL)

"Als wetenschappers, we denken altijd:wat nu?" zei Chunmei Ban, een wetenschapper op de afdeling Materials Science van NREL en corresponderende auteur van het artikel, "Een kunstmatige interfase maakt omkeerbare magnesiumchemie in carbonaatelektrolyten mogelijk." De dominante lithium-ionbatterijtechnologie nadert de maximale hoeveelheid energie die per volume kan worden opgeslagen, ze zei, dus "er is een dringende behoefte om nieuwe batterijchemie te onderzoeken" die meer energie kan leveren tegen lagere kosten.

"Deze bevinding zal een nieuwe weg bieden voor het ontwerp van magnesiumbatterijen, " zei Seoung-Bum Son, een voormalig NREL-postdoc en wetenschapper bij NREL en eerste auteur van het artikel. Andere co-auteurs van NREL zijn Steve Harvey, Adam Stokes, en Andrew Norman.

Een elektrochemische reactie voedt een batterij terwijl ionen door een vloeistof (elektrolyt) van de negatieve elektrode (kathode) naar de positieve elektrode (anode) stromen. Voor batterijen die lithium gebruiken, de elektrolyt is een zoutoplossing die lithiumionen bevat. Wat ook belangrijk is, is de chemische reactie omkeerbaar, zodat de batterij kan worden opgeladen.

Magnesium (Mg) batterijen bevatten theoretisch bijna twee keer zoveel energie per volume als lithium-ion batterijen. Maar eerder onderzoek stuitte op een obstakel:chemische reacties van de conventionele carbonaatelektrolyt creëerden een barrière op het oppervlak van magnesium waardoor de batterij niet kon worden opgeladen. De magnesiumionen zouden in omgekeerde richting kunnen stromen door een zeer corrosieve vloeibare elektrolyt, maar dat verhinderde de mogelijkheid van een succesvolle hoogspanningsmagnesiumbatterij.

Bij het proberen om deze wegversperringen te overwinnen, de onderzoekers ontwikkelden een kunstmatige vaste-elektrolyt-interfase van polyacrylonitril en magnesiumionzout die het oppervlak van de magnesiumanode beschermde. Deze beschermde anode vertoonde duidelijk verbeterde prestaties.

Illustraties naast elkaar laten zien hoe wetenschappers van NREL een probleem hebben opgelost met het maken van een oplaadbare magnesiumbatterij.

De wetenschappers verzamelden prototypecellen om de robuustheid van de kunstmatige interfase te bewijzen en vonden veelbelovende resultaten:de cel met de beschermde anode maakte omkeerbare Mg-chemie in carbonaatelektrolyt mogelijk, wat nog nooit eerder is aangetoond. De cel met deze beschermde Mg-anode leverde ook meer energie dan het prototype zonder de bescherming en bleef dat doen tijdens herhaalde cycli. Verder, de groep heeft de oplaadbaarheid van de magnesium-metaalbatterij aangetoond, wat een ongekende weg biedt voor het gelijktijdig aanpakken van de anode/elektrolyt-incompatibiliteit en de beperkingen op ionen die de kathode verlaten.

Behalve dat het gemakkelijker verkrijgbaar is dan lithium, magnesium heeft andere potentiële voordelen ten opzichte van de meer gevestigde batterijtechnologie. Eerst, magnesium geeft twee elektronen af ​​aan die van lithium, waardoor het de potentie heeft om bijna twee keer zoveel energie te leveren als lithium. En ten tweede, magnesium-metaalbatterijen hebben geen last van dendrieten, dit zijn kristallen die kortsluiting en bijgevolg gevaarlijke oververhitting en zelfs brand kunnen veroorzaken, waardoor potentiële magnesiumbatterijen veel veiliger zijn dan lithium-ionbatterijen.