Forskare vid Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL) har upptäckt ett nytt tillvägagångssätt för att utveckla ett laddningsbart icke-vattenhaltigt magnesium-metallbatteri.

Ett proof-of-concept-papper publicerat i Naturkemi detaljerade hur forskarna banade fram en metod för att möjliggöra reversibel kemi av magnesiummetall i de icke-korrosiva karbonatbaserade elektrolyterna och testade konceptet i en prototypcell. Tekniken har potentiella fördelar jämfört med litiumjonbatterier-särskilt högre energitäthet, större stabilitet, och lägre kostnad.

NREL-forskare (från vänster) Seoung-Bum Son, Steve Harvey, Andrew Norman och Chunmei Ban är medförfattare till Naturkemi vitt papper, "Ett artificiellt gränssnitt möjliggör reversibel magnesiumkemi i karbonatelektrolyter" som arbetar med en sekundär jonmasspektrometri vid flykt. Enheten gör det möjligt för dem att undersöka materialnedbrytning och felmekanismer i mikro- till nanoskala. (Foto av Dennis Schroeder / NREL)

"Att vara forskare, vi tänker alltid:vad är nästa? "sa Chunmei Ban, en forskare vid NREL:s materialvetenskapliga avdelning och motsvarande författare till uppsatsen, "Ett konstgjort gränssnitt möjliggör reversibel magnesiumkemi i karbonatelektrolyter." Den dominerande litiumjonbatteritekniken närmar sig den maximala energimängd som kan lagras per volym, Hon sa, så "det finns ett brådskande behov av att utforska nya batterikemikalier" som kan ge mer energi till en lägre kostnad.

"Detta fynd kommer att ge en ny väg för magnesiumbatteridesign, "sa Seoung-Bum Son, en tidigare NREL postdoc och forskare vid NREL och första författare till tidningen. Andra medförfattare från NREL är Steve Harvey, Adam Stokes, och Andrew Norman.

En elektrokemisk reaktion driver ett batteri när joner flödar genom en vätska (elektrolyt) från den negativa elektroden (katoden) till den positiva elektroden (anoden). För batterier som använder litium, elektrolyten är en saltlösning som innehåller litiumjoner. Vad är också viktigt, är den kemiska reaktionen måste vara reversibel så att batteriet kan laddas.

Magnesium (Mg) batterier innehåller teoretiskt sett nästan dubbelt så mycket energi per volym som litiumjonbatterier. Men tidigare forskning stötte på ett hinder:kemiska reaktioner av den konventionella karbonatelektrolyten skapade en barriär på ytan av magnesium som hindrade batteriet från att laddas. Magnesiumjonerna skulle kunna flyta i omvänd riktning genom en mycket frätande flytande elektrolyt, men det hindrade möjligheten till ett framgångsrikt högspännings-magnesiumbatteri.

När jag försöker övervinna dessa vägspärrar, forskarna utvecklade en artificiell fast-elektrolytinterfas från polyakrylnitril och magnesiumjon-salt som skyddade ytan på magnesiumanoden. Denna skyddade anod visade markant förbättrad prestanda.

Sida-by-side-illustrationer visar hur NREL-forskare löste ett problem med att göra ett uppladdningsbart magnesiumbatteri.

Forskarna samlade prototypceller för att bevisa den artificiella interfasens robusthet och fann lovande resultat:cellen med den skyddade anoden möjliggjorde reversibel Mg -kemi i karbonatelektrolyt, som aldrig har visats tidigare. Cellen med denna skyddade Mg -anod levererade också mer energi än prototypen utan skydd och fortsatte att göra det under upprepade cykler. Vidare, gruppen har visat laddningsbarheten för magnesium-metallbatteriet, vilket ger en oöverträffad väg för att samtidigt ta itu med anoden/elektrolytens inkompatibilitet och begränsningarna för joner som lämnar katoden.

Förutom att vara lättare tillgänglig än litium, magnesium har andra potentiella fördelar jämfört med den mer etablerade batteritekniken. Först, magnesium släpper ut två elektroner till litiumets ena, vilket ger den möjlighet att leverera nästan dubbelt så mycket energi som litium. Och för det andra, magnesiummetallbatterier upplever inte tillväxten av dendriter, som är kristaller som kan orsaka kortslutning och följaktligen farlig överhettning och till och med brand, vilket gör potentiella magnesiumbatterier mycket säkrare än litiumjonbatterier.