Klein, ongeordende deeltjes magnesiumchroomoxide kunnen de sleutel zijn tot nieuwe technologie voor energieopslag van magnesiumbatterijen, die een grotere capaciteit zou kunnen hebben in vergelijking met conventionele lithium-ionbatterijen, vind UCL en University of Illinois in Chicago-onderzoekers.

De studie, vandaag gepubliceerd in nanoschaal , meldt een nieuwe, schaalbare methode om een ​​materiaal te maken dat magnesiumionen reversibel kan opslaan bij hoogspanning, het bepalende kenmerk van een kathode.

Hoewel het nog in een vroeg stadium is, de onderzoekers zeggen dat het een belangrijke ontwikkeling is in de richting van op magnesium gebaseerde batterijen. Daten, zeer weinig anorganische materialen hebben aangetoond dat magnesium omkeerbaar verwijderd en ingebracht kan worden, wat de sleutel is om de magnesiumbatterij te laten functioneren.

"Lithium-iontechnologie bereikt de grens van zijn mogelijkheden, dus het is belangrijk om te zoeken naar andere chemicaliën waarmee we batterijen kunnen bouwen met een grotere opslagcapaciteit en een slanker ontwerp, " zei co-hoofdauteur, Dr. Ian Johnson (UCL Chemie).

"Magnesiumbatterijtechnologie wordt geprezen als een mogelijke oplossing om batterijen voor telefoons en elektrische auto's met een langere levensduur te leveren, maar het vinden van een praktisch materiaal om als kathode te gebruiken was een uitdaging."

Een factor die lithium-ionbatterijen beperkt, is de anode. Om veiligheidsredenen moeten koolstofanodes met een lage capaciteit in lithium-ionbatterijen worden gebruikt. aangezien het gebruik van zuivere lithiummetaalanodes gevaarlijke kortsluitingen en brand kan veroorzaken.

In tegenstelling tot, magnesiummetaalanoden zijn veel veiliger, dus het combineren van magnesiummetaal met een functionerend kathodemateriaal zou een batterij kleiner maken en meer energie opslaan.

Eerder onderzoek met behulp van computermodellen voorspelde dat magnesiumchroomoxide (MgCr2O4) een veelbelovende kandidaat zou kunnen zijn voor Mg-batterijkathoden.

Geïnspireerd door dit werk, UCL-onderzoekers produceerden een ~ 5 nm, ongeordend magnesiumchroomoxidemateriaal in een zeer snelle en relatief lage temperatuurreactie.

Medewerkers van de Universiteit van Illinois in Chicago vergeleken vervolgens de magnesiumactiviteit met een conventionele, bestelde magnesium chroomoxide materiaal ~ 7 nm breed.

Ze gebruikten een reeks verschillende technieken, waaronder röntgendiffractie, Röntgenabsorptiespectroscopie en geavanceerde elektrochemische methoden om de structurele en chemische veranderingen te zien wanneer de twee materialen werden getest op magnesiumactiviteit in een cel.

De twee soorten kristallen gedroegen zich heel verschillend, met de ongeordende deeltjes die omkeerbare magnesiumextractie en -inbrenging vertonen, vergeleken met de afwezigheid van dergelijke activiteit in grotere, bestelde kristallen.

"Dit suggereert dat de toekomst van batterijen zou kunnen liggen in wanordelijke en onconventionele structuren, wat een opwindend vooruitzicht is en een dat we nog niet eerder hebben onderzocht, omdat wanorde gewoonlijk aanleiding geeft tot problemen met batterijmaterialen. Het benadrukt het belang om te zien of andere structureel defecte materialen verdere mogelijkheden kunnen bieden voor omkeerbare batterijchemie", legt professor Jawwad Darr (UCL Chemistry) uit.

"We zien dat het vergroten van het oppervlak en het opnemen van wanorde in de kristalstructuur nieuwe wegen biedt voor belangrijke chemie in vergelijking met geordende kristallen.

conventioneel, orde is gewenst om duidelijke diffusieroutes te bieden, waardoor cellen gemakkelijk kunnen worden opgeladen en ontladen, maar wat we hebben gezien suggereert dat een ongeordende structuur nieuwe, toegankelijke diffusieroutes die verder moeten worden onderzocht, " zei professor Jordi Cabana (Universiteit van Illinois in Chicago).

Deze resultaten zijn het resultaat van een spannende nieuwe samenwerking tussen Britse en Amerikaanse onderzoekers. UCL en de Universiteit van Illinois in Chicago zijn van plan hun studies uit te breiden naar andere ongeordende, materialen met een hoog oppervlak, om verdere winsten in magnesiumopslag mogelijk te maken en een praktische magnesiumbatterij te ontwikkelen.