Magnesium uppladdningsbara batterier (MRB), där Mg-metall med hög kapacitet används som anodmaterial, är lovande kandidater för nästa generations batterier på grund av deras energitäthet, säkerhet, och kostnad. Dock, bristen på högpresterande katodmaterial hämmar deras utveckling.

Liksom deras litiumjonmotsvarigheter, övergångsmetalloxider är stapelkatodmaterialen i MRB. Ändå utgör den långsamma diffusionen av Mg-joner inuti oxiderna ett allvarligt problem. För att övervinna detta, vissa forskare har utforskat svavelbaserade material. Men svavelbaserade katoder för MRB har allvarliga begränsningar:låg elektronisk konduktivitet, trög Mg-diffusion i fasta Mg-S-föreningar, och löslighet av polysulfider i elektrolyter, vilket resulterar i låg kapacitet och dålig cyklbarhet.

Nu, ett forskarlag som inkluderade Tohoku Universitys Dr. Shimokawa och professor Ichitsubo har utvecklat sammansatta katoder för flytande svavel/sulfid som möjliggör höggradiga magnesiumbatterier. Deras uppsats har publicerats i Journal of Materials Chemistry A .

De flytande svavel/sulfidkompositmaterialen kan tillverkas spontant genom att elektrokemiskt oxidera metallsulfider, som järnsulfid, i en jonisk flytande elektrolyt vid 150. Kompositmaterialet visade hög prestanda i kapacitet, potential, cyklbarhet, och hastighetsförmåga.

Forskarna uppnådde en urladdningskapacitet på ~900 mAh/g vid en hög strömtäthet på 1246 mA/g baserat på massan av aktivt svavel. Dessutom, de avslöjade att urladdningspotentialen förbättrades genom att använda icke-jämviktssvavel som bildas genom snabbladdningsprocesser.

Detta material möjliggjorde en stabil katodprestanda vid 150 under mer än 50 cykler. En sådan hög cyklerbarhet kan tillskrivas följande punkter:hög strukturell reversibilitet hos det aktiva materialet i flytande tillstånd, låg löslighet av polysulfider i den joniska flytande elektrolyten, och högt utnyttjandeförhållande av svavel på grund av dess vidhäftning till ledande sulfidpartiklar som bildar en porös morfologi under syntesen av kompositmaterialen.

Trots forskarnas framsteg, flera problem kvarstår. "Vi behöver elektrolyter som är kompatibla med både katod- och anodmaterial eftersom den joniska vätskan som används i detta arbete passiverar Mg-metallanoden, " sade Shimokawa. "I framtiden, det är viktigt att utveckla nya elektrokemiskt stabila elektrolyter för att göra MRB mer praktiska för utbredd användning."

Även om MRB fortfarande är i utvecklingsstadiet, forskargruppen hoppas att deras arbete ger ett nytt sätt att använda flytande svavel som höggradigt katodmaterial för MRB. "Detta skulle öka förbättringen av svavelbaserade material för att uppnå högpresterande nästa generations batterier, " tillade Shimokawa.