Utvecklingen av högeffektiva energilagringsenheter som kan lagra förnybar energi är avgörande för en hållbar framtid. I dagens värld, solid-state uppladdningsbar litiumjon (Li ⁺ ) batterier är den senaste tekniken. Men litium är en sällsynt jordartsmetall, och samhällets beroende av elementet kommer sannolikt att leda till en snabb nedgång av resurser och efterföljande prishöjningar.

Magnesiumjon (Mg ²⁺ )-baserade batterier har tagit fart som ett alternativ till Li ⁺ . Jordskorpan innehåller gott om magnesium och Mg ²⁺ -Baserade energienheter sägs ha hög energitäthet, hög säkerhet och låg kostnad. Men den breda tillämpningen av Mg ²⁺ begränsas av dess dåliga ledningsförmåga i fasta ämnen vid rumstemperatur. Mg ²⁺ har dålig konduktivitet i fast tillstånd eftersom tvåvärda positiva joner (2+) upplever starka interaktioner med sina närliggande negativa joner i en fast kristall, vilket hindrar deras migration genom materialet.

Detta hinder övervanns nyligen av ett forskarlag från Tokyo University of Science (TUS). I deras nya studie publicerad online den 4 maj 2022 och den 18 maj 2022 i volym 144 nummer 19 av Journal of the American Chemical Society , rapporterar de för första gången, en solid-state Mg ²⁺ ledare med superionisk konduktivitet på 10 ⁻³ S cm ⁻¹ (tröskeln för praktisk tillämpning i solid state-batterier). Denna storlek på konduktivitet för Mg ²⁺ konduktörer är den högsta rapporterade hittills. Enligt juniordocent Masaaki Sadakiyo vid TUS, som ledde studien, "I detta arbete har vi utnyttjat en klass av material som kallas metall-organiska ramverk (MOFs). MOF:er har mycket porösa kristallstrukturer, vilket ger utrymme för effektiv migrering av de inkluderade jonerna. Här introducerade vi dessutom en "gästmolekyl", acetonitril, i porerna i MOF, vilket lyckades kraftigt accelerera konduktiviteten hos Mg ²⁺ ." Forskargruppen inkluderade vidare Mr. Yuto Yoshida, också från TUS, professor Teppei Yamada från University of Tokyo, och assisterande professor Takashi Toyao och professor Ken-ichi Shimizu från Hokkaido University. Uppsatsen gjordes tillgänglig online den 4 maj, 2022 och publicerades i volym 144, nummer 19 av tidskriften den 18 maj 2022

Teamet använde en MOF känd som MIL-101 som huvudramverk och kapslade sedan in Mg ²⁺ joner i sina nanoporer. I den resulterande MOF-baserade elektrolyten, Mg ²⁺ var löst packad, vilket möjliggjorde migrering av tvåvärt Mg ²⁺ joner. För att ytterligare förbättra jonledningsförmågan exponerade forskargruppen elektrolyten för acetonitrilångor, som adsorberades av MOF som gästmolekyler.

Teamet utsatte sedan de förberedda proverna för ett växelströmsimpedanstest (AC) för att mäta jonkonduktivitet. De upptäckte att Mg ²⁺ elektrolyten uppvisade en superjonisk konduktivitet på 1,9 × 10 ⁻³ S cm ⁻¹ . Detta är den högsta någonsin rapporterade konduktiviteten för ett kristallint fast ämne som innehåller Mg ²⁺ .

För att förstå mekanismen bakom denna höga ledningsförmåga utförde forskarna infraröda spektroskopiska och adsorptionsisotermmätningar på elektrolyten. Testerna avslöjade att acetonitrilmolekylerna adsorberade i ramverket möjliggjorde effektiv migrering av Mg ²⁺ joner genom kroppen av den fasta elektrolyten.

Dessa resultat av denna studie avslöjar inte bara den nya MOF-baserade Mg ²⁺ ledare som ett lämpligt material för batteriapplikationer, men ger också kritiska insikter i utvecklingen av framtida solid-state batterier. "Under lång tid har människor trott att tvåvärda eller högre valensjoner inte kan överföras effektivt genom ett fast ämne. I den här studien har vi visat att om kristallstrukturen och den omgivande miljön är väldesignade, så kommer ett fast tillstånd hög- konduktivitetsledare är väl inom forskning," förklarar Dr. Sadakiyo.

På frågan om forskargruppens framtidsplaner avslöjar han att de "hoppas kunna bidra ytterligare till samhället genom att utveckla en tvåvärd ledare med ännu högre jonledningsförmåga." + Utforska vidare

Fast natriumelektrolyt som kombinerar hög konduktivitet med elektrokemisk stabilitet