Ett team av forskare från Department of Energy (DOE) vid Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) har upptäckt den snabbaste magnesiumjonledaren i fast tillstånd, ett stort steg mot att göra solid-state magnesiumjonbatterier som är både energitäta och säkra.

Elektrolyten, som för laddning fram och tillbaka mellan batteriets katod och anod, är en vätska i alla kommersiella batterier, vilket gör dem potentiellt brandfarliga, speciellt i litiumjonbatterier. En solid state-ledare, som har potential att bli en elektrolyt, skulle vara mycket mer brandsäker.

Forskare vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Argonne National Laboratory arbetade på ett magnesiumbatteri, som erbjuder högre energitäthet än litium, men hindrades av bristen på bra alternativ för en flytande elektrolyt, varav de flesta tenderar att vara frätande mot andra delar av batteriet. "Magnesium är en så ny teknik, den har inga bra flytande elektrolyter, sa Gerbrand Ceder, en Berkeley Lab Senior Faculty Scientist. "Vi trodde, varför inte hoppa över och göra en elektrolyt i fast tillstånd?"

Materialet de kom fram till, magnesium scandium selenid spinell, har magnesiumrörlighet jämförbar med solid-state elektrolyter för litiumbatterier. Deras fynd rapporterades i Naturkommunikation i en tidning med titeln, "Hög magnesiumrörlighet i ternära spinellkalkogenider." JCESR, en DOE Innovation Hub, sponsrade studien, och huvudförfattarna är Pieremanuele Canepa och Shou-Hang Bo, postdoktorer vid Berkeley Lab.

"Med hjälp av en samlad ansträngning för att sammanföra beräkningsmetoder för materialvetenskap, syntes, och en mängd olika karaktäriseringstekniker, vi har identifierat en ny klass av solida ledare som kan transportera magnesiumjoner med oöverträffad hastighet, " sa Canepa.

Samarbete med MIT och Argonne

Forskargruppen inkluderade också forskare vid MIT, som tillhandahållit beräkningsresurser, och Argonne, som gav nyckelexperimentell bekräftelse av magnesiumskandiumselenid spinellmaterial för att dokumentera dess struktur och funktion.

Medförfattare Baris Key, en forskningskemist vid Argonne, genomfört kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopiexperiment. Dessa tester var bland de första stegen för att experimentellt bevisa att magnesiumjoner kunde röra sig genom materialet så snabbt som de teoretiska studierna hade förutspått.

"Det var avgörande att experimentellt bekräfta den snabba magnesiumhoppningen. Det är inte ofta som teorin och experimentet stämmer överens med varandra, " Key sa. "Solid state NMR-experimenten för denna kemi var mycket utmanande och skulle inte vara möjliga utan dedikerade resurser och en finansieringskälla som JCESR. Som vi har visat i denna studie, en djupgående förståelse för kort- och långdistansstruktur och jondynamik kommer att vara nyckeln till forskning om magnesiumjonbatterier."

NMR liknar magnetisk resonanstomografi (MRI), som rutinmässigt används i medicinska miljöer, där det visar väteatomer av vatten i mänskliga muskler, nerver, fettvävnad, och andra biologiska ämnen. Men forskare kan också ställa in NMR-frekvensen för att upptäcka andra element, inklusive litium- eller magnesiumjoner som finns i batterimaterial.

NMR-data från magnesiumskandiumselenidmaterialet, dock, involverat material med okänd struktur med komplexa egenskaper, gör dem utmanande att tolka.

Canepa noterade utmaningarna med att testa material som är så nytt. "Protokoll är i princip obefintliga, ", sade han. "Dessa fynd var endast möjliga genom att kombinera en multi-teknik tillvägagångssätt (solid-state NMR och synkrotronmätningar vid Argonne) utöver konventionell elektrokemisk karakterisering."

Att göra det omöjliga

Teamet planerar att göra ytterligare arbete för att använda ledaren i ett batteri. "Det här har förmodligen en lång väg kvar innan du kan göra ett batteri av det, men det är den första demonstrationen du kan göra solid-state material med riktigt bra magnesiumrörlighet genom det, " sade Ceder. "Magnesium tros röra sig långsamt i de flesta fasta ämnen, så ingen trodde att detta skulle vara möjligt."

Dessutom, forskningen identifierade två relaterade fundamentala fenomen som avsevärt skulle kunna påverka utvecklingen av fasta magnesiumelektrolyter inom en snar framtid, nämligen, rollen av anti-platsdefekter och samspelet mellan elektronisk och magnesiumledningsförmåga, båda publicerade nyligen i Chemistry of Materials.

Bo, nu biträdande professor vid Shanghai Jiao Tong University, sade upptäckten kan ha en dramatisk effekt på energilandskapet. "Detta arbete sammanförde ett fantastiskt team av forskare från olika vetenskapliga discipliner, och tog det första hugget vid den formidabla utmaningen att bygga ett solid-state magnesiumbatteri, " sa han. "Även om det för närvarande är i sin linda, denna framväxande teknik kan ha en transformerande inverkan på energilagring inom en snar framtid."

Gopalakrishnan Sai Gautam, en annan medförfattare som var affiliate på Berkeley Lab och nu är på Princeton, sade att teamstrategin som möjliggjordes av ett DOE-nav som JCESR var avgörande. "Arbetet visar vikten av att använda en mängd olika teoretiska och experimentella tekniker i en mycket samarbetsmiljö för att göra viktiga grundläggande upptäckter, " han sa.

Ceder var exalterad över utsikterna för fyndet men varnade för att arbete återstår att göra. "Det finns enorma ansträngningar inom industrin för att göra ett solid-state-batteri. Det är den heliga graalen eftersom du skulle ha det ultimata säkra batteriet. Men vi har fortfarande arbete att göra. Detta material visar en liten mängd elektronläckage, som måste tas bort innan den kan användas i ett batteri."