Uppladdningsbara batterier baserade på magnesium, snarare än litium, har potential att utöka elfordons räckvidd genom att packa mer energi i mindre batterier. Men oförutsedda kemiska vägspärrar har bromsat vetenskapliga framsteg.

Och de platser där fast material möter vätska - där de motsatt laddade batterielektroderna interagerar med den omgivande kemiska blandningen som kallas elektrolyten - är de kända problemställena.

Nu, ett forskarlag vid U.S. Department of Energy's Joint Center for Energy Storage Research, ledd av forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), har upptäckt en överraskande uppsättning kemiska reaktioner som involverar magnesium som försämrar batteriets prestanda redan innan batteriet kan laddas upp.

Fynden kan vara relevanta för andra batterimaterial, och skulle kunna styra utformningen av nästa generations batterier mot lösningar som undviker dessa nyligen identifierade fallgropar.

Teamet använde röntgenexperiment, teoretisk modellering, och superdatorsimuleringar för att utveckla en fullständig förståelse för den kemiska nedbrytningen av en flytande elektrolyt som sker inom tiotals nanometer från en elektrodyta som försämrar batteriets prestanda. Deras resultat publiceras online i tidskriften Materialkemi .

Batteriet de testade innehöll magnesiummetall som sin negativa elektrod (anoden) i kontakt med en elektrolyt som består av en vätska (en typ av lösningsmedel som kallas diglyme) och ett löst salt, Mg(TFSI)2.

Medan kombinationen av material de använde ansågs vara kompatibla och icke-reaktiva i batteriets viloläge, experiment vid Berkeley Labs avancerade ljuskälla (ALS), en röntgenkälla som kallas synkrotron, upptäckte att så inte är fallet och ledde studien i nya riktningar.

"Folk trodde att problemen med dessa material uppstod under batteriets laddning, men istället visade experimenten att det redan fanns viss aktivitet, sa David Prendergast, som leder Theory of Nanostructured Materials Facility vid Molecular Foundry och fungerade som en av studiens ledare.

"Vid den tidpunkten blev det väldigt intressant, ", sa han. "Vad kan möjligen orsaka dessa reaktioner mellan ämnen som är tänkta att vara stabila under dessa förhållanden?"

Molecular Foundry-forskare utvecklade detaljerade simuleringar av punkten där elektroden och elektrolyten möts, känt som gränssnittet, indikerar att inga spontana kemiska reaktioner bör inträffa under idealiska förhållanden, antingen. Simuleringarna, fastän, tog inte hänsyn till alla kemiska detaljer.

"Innan våra utredningar, " sa Ethan Crumlin, en ALS-forskare som koordinerade röntgenexperimenten och ledde studien tillsammans med Prendergast, "det fanns misstankar om beteendet hos dessa material och möjliga kopplingar till dålig batteriprestanda, men de hade inte bekräftats i ett fungerande batteri."

Kommersiellt populära litiumjonbatterier, som driver många bärbara elektroniska enheter (som mobiltelefoner, bärbara datorer, och elverktyg) och en växande flotta av elfordon, skjuta litiumjoner - litiumatomer som laddas genom att en elektron sprids - fram och tillbaka mellan de två batterielektroderna. Dessa elektrodmaterial är porösa på atomär skala och alternativt laddas eller töms på litiumjoner när batteriet laddas eller laddas ur.

I denna typ av batteri, den negativa elektroden består vanligtvis av kol, som har en mer begränsad kapacitet för att lagra dessa litiumjoner än vad andra material skulle göra.

Så att öka densiteten av lagrat litium genom att använda ett annat material skulle göra det lättare, mindre, kraftfullare batterier. Använder litiummetall i elektroden, till exempel, kan packa in fler litiumjoner i samma utrymme, även om det är ett mycket reaktivt ämne som brinner när det utsätts för luft, och kräver ytterligare forskning om hur man bäst förpackar och skyddar den för långsiktig stabilitet.

Magnesiummetall har en högre energitäthet än litiummetall, vilket innebär att du potentiellt kan lagra mer energi i ett batteri av samma storlek om du använder magnesium istället för litium.

Magnesium är också mer stabilt än litium. Dess yta bildar ett självskyddande "oxiderat" lager då det reagerar med fukt och syre i luften. Men inom ett batteri, detta oxiderade skikt tros minska effektiviteten och förkorta batteritiden, så forskare letar efter sätt att undvika att det bildas.

För att utforska bildandet av detta lager mer i detalj, teamet använde en unik röntgenteknik som nyligen utvecklats vid ALS, kallas APXPS (omgivande tryckröntgenfotoelektronspektroskopi). Denna nya teknik är känslig för den kemi som uppstår i gränsytan mellan ett fast ämne och en vätska, vilket gör det till ett idealiskt verktyg för att utforska batterikemin vid ytan av elektroden, där den möter den flytande elektrolyten.

Redan innan en ström matades in i testbatteriet, röntgenresultaten visade tecken på kemisk nedbrytning av elektrolyten, specifikt vid gränsytan mellan magnesiumelektroden. Resultaten tvingade forskare att ompröva sin bild i molekylär skala av dessa material och hur de interagerar.

Vad de bestämde är att den självstabiliserande, tunt oxidytskikt som bildas på magnesiumet har defekter och föroreningar som driver oönskade reaktioner.

"Det är inte själva metallen, eller dess oxider, som är ett problem, " sade Prendergast. "Det är det faktum att du kan ha brister i den oxiderade ytan. Dessa små skillnader blir platser för reaktioner. Den livnär sig på det här sättet."

Ytterligare en omgång av simuleringar, som föreslog möjliga defekter i den oxiderade magnesiumytan, visade att defekter i anodens oxiderade ytskikt kan exponera magnesiumjoner som sedan fungerar som fällor för elektrolytens molekyler.

Om fritt flytande hydroxidjoner - molekyler som innehåller en enda syreatom bunden till en väteatom som kan bildas när spårmängder av vatten reagerar med magnesiummetallen - möter dessa ytbundna molekyler, de kommer att reagera.

Detta slöser elektrolyt, torkar ut batteriet med tiden. Och produkterna av dessa reaktioner smutsar ner anodens yta, försämrar batteriets funktion.

Det tog flera iterationer fram och tillbaka, mellan de experimentella och teoretiska medlemmarna i teamet, att utveckla en modell som överensstämmer med röntgenmätningarna. Ansträngningarna stöddes av miljontals timmars datorkraft vid labbets National Energy Research Scientific Computing Center.

Forskare noterade vikten av att ha tillgång till röntgentekniker, nanoskala expertis, och datorresurser på samma labb.

Resultaten kan vara relevanta för andra typer av batterimaterial, för, inklusive prototyper baserade på litium- eller aluminiummetall. Prendergast sa, "Detta kan vara ett mer allmänt fenomen som definierar elektrolytstabilitet."

Crumlin lade till, "Vi har redan börjat köra nya simuleringar som kan visa oss hur man modifierar elektrolyten för att minska instabiliteten i dessa reaktioner." Likaså, han sa, det kan vara möjligt att skräddarsy ytan på magnesium för att minska eller eliminera en del av den oönskade kemiska reaktiviteten.

"Istället för att låta den skapa sitt eget gränssnitt, du kan konstruera den själv för att kontrollera och stabilisera gränssnittskemin, ", tillade han. "Just nu leder det till okontrollerbara händelser."