Magnesiumbatterier erbjuder ett löfte för att driva det moderna livet säkert - till skillnad från traditionella litiumjonbatterier, de är inte brandfarliga eller utsatta för explosion - men deras förmåga att lagra energi har varit begränsad.

Forskare rapporterade 24 augusti i tidningen Naturkommunikation upptäckten av en ny design för batterikatoden, drastiskt öka lagringskapaciteten och öka konventionell visdom att magnesium-kloridbindningen måste brytas innan magnesium sätts in i värden.

"Vi kombinerar en nanostrukturerad katod och en ny förståelse för magnesiumelektrolyten, "sa Yan Yao, docent i el- och datateknik vid University of Houston och huvudförfattare på pappret. "Det är nytt."

Arbetet först tänktes av Yao och postdoktor Hyun Deog Yoo 2014; projektet sträckte sig över flera år och involverade forskare från tre universitet och tre nationella laboratorier, arbetar både experimentellt och teoretiskt.

"Magnesiumjon är känt för att vara svårt att sätta in i en värd, "sa Yoo, första författaren på tidningen. "För det första, det är mycket svårt att bryta magnesium-kloridbindningar. Mer än det, magnesiumjoner som produceras på det sättet rör sig extremt långsamt i värden. Det sänker helt batteriets effektivitet. "

Det nya batteriet lagrar energi genom att sätta in magnesiummonoklorid i en värd, såsom titandisulfid. Genom att behålla magnesiumkloridbindningen, Yao sa, katoden visade mycket snabbare diffusion än traditionella magnesiumversioner.

Forskarna rapporterar att det nya batteriet har en lagringskapacitet på 400 mAh/g, jämfört med 100 mAh/g för tidigare magnesiumbatterier. Kommersiella litiumjonbatterier har en katodkapacitet på cirka 200 mAh/g, sa Yao, som också är en huvudutredare vid Texas Center for Superconductivity vid UH.

Spänningen på det nya batteriet förblir låg på cirka en volt. Det kan jämföras med tre till fyra volt för litiumbatterier.

Högspänningen, i kombination med deras höga energitäthet, har gjort litiumjonbatterier till standarden. Men litium är dyrt och kan utveckla brott mot dess interna struktur, ett tillstånd som kallas dendrittillväxt, vilket kan orsaka att batterierna fattar eld. Som en rik jordresurs, magnesium är billigare och bildar inte dendriter. Tills nu, dock, den har hållits tillbaka av behovet av en bättre katod - elektroden från vilken strömmen strömmar - och effektivare elektrolyter, mediet genom vilket den joniska laddningen flyter mellan katod och anod.

Detta arbete föreslår en lösning.

Nyckeln, Yoo sa, är att expandera titandisulfiden så att magnesiumklorid kan införas-en process i fyra steg som kallas interkalering-snarare än att bryta magnesium-kloridbindningarna och bara sätta in magnesiumet. Att behålla magnesiumkloridbindningen fördubblade laddningen som katoden kunde lagra.

Magnesiummonokloridmolekylerna är för stora för att sättas in i titandisulfiden med konventionella metoder. Bygga vidare på deras tidigare arbete, forskarna skapade en öppen nanostruktur genom att utöka luckorna i titandisulfiden med 300 procent, med hjälp av organiska "pelare".

Öppningen var fortfarande liten, ökade från 0,57 nanometer till 1,8 nanometer, men Yao sa att det tillät magnesiumklorid att sättas in.

"Kombinerad teoretisk modellering, spektroskopisk analys, och elektrokemisk studie avslöjar snabb diffusionskinetik för magnesiummonokloridkatjoner utan klyvning av magnesiumkloridbindning, "forskarna skrev." ... Den stora kapaciteten åtföljer utmärkta hastigheter och cykelföreställningar även vid rumstemperatur, öppnar möjligheter för en mängd effektiva interkaleringsvärdar för multivalenta jonbatterier. "

"Vi hoppas att detta är en allmän strategi, "Yoo sa." Infoga olika polyatomiska joner i värdar med högre spänning, vi siktar så småningom på att skapa batterier med högre energi till ett lägre pris, speciellt för elfordon. "