Mycket liten, oordnade partiklar av magnesiumkromoxid kan hålla nyckeln till ny energilagringsteknik för magnesiumbatterier, som kan ha ökad kapacitet jämfört med konventionella litiumjonbatterier, hitta UCL och University of Illinois i Chicago forskare.

Studien, publiceras idag i Nanoskala , rapporterar en ny, skalbar metod för att göra ett material som reversibelt kan lagra magnesiumjoner vid hög spänning, den definierande egenskapen hos en katod.

Även om det är i ett tidigt skede, forskarna säger att det är en betydande utveckling när det gäller att gå mot magnesiumbaserade batterier. Hittills, mycket få oorganiska material har visat reversibelt avlägsnande och införande av magnesium, vilket är nyckeln för att magnesiumbatteriet ska fungera.

"Lithium-ion-tekniken når gränsen för sin förmåga, så det är viktigt att leta efter andra kemier som gör att vi kan bygga batterier med en större lagringskapacitet och en tunnare design, " sa medförfattare, Dr. Ian Johnson (UCL Chemistry).

"Magnesiumbatteriteknologi har försvarats som en möjlig lösning för att tillhandahålla batterier för telefoner och elbilar som håller längre, men att få ett praktiskt material att använda som katod har varit en utmaning."

En faktor som begränsar litiumjonbatterier är anoden. Kolanoder med låg kapacitet måste användas i litiumjonbatterier av säkerhetsskäl, eftersom användningen av rena litiummetallanoder kan orsaka farliga kortslutningar och bränder.

I kontrast, magnesiummetallanoder är mycket säkrare, så att samarbeta med magnesiummetall med ett fungerande katodmaterial skulle göra ett batteri mindre och lagra mer energi.

Tidigare forskning med beräkningsmodeller förutspådde att magnesiumkromoxid (MgCr2O4) kunde vara en lovande kandidat för Mg-batterikatoder.

Inspirerad av detta arbete, UCL-forskare producerade en ~5 nm, oordnat magnesiumkromoxidmaterial i en mycket snabb och relativt låg temperaturreaktion.

Samarbetspartners vid University of Illinois i Chicago jämförde sedan dess magnesiumaktivitet med en konventionell, beställde magnesiumkromoxidmaterial ~7 nm brett.

De använde en rad olika tekniker inklusive röntgendiffraktion, Röntgenabsorptionsspektroskopi och banbrytande elektrokemiska metoder för att se de strukturella och kemiska förändringarna när de två materialen testades för magnesiumaktivitet i en cell.

De två typerna av kristaller betedde sig väldigt olika, med de oordnade partiklarna som visar reversibel magnesiumextraktion och införande, jämfört med frånvaron av sådan aktivitet i större, beställda kristaller.

"Detta tyder på att framtiden för batterier kan ligga i oordnade och okonventionella strukturer, vilket är ett spännande perspektiv och ett som vi inte har utforskat tidigare eftersom störningar vanligtvis ger upphov till problem i batterimaterial. Det belyser vikten av att se om andra strukturellt defekta material kan ge ytterligare möjligheter för reversibel batterikemi", förklarade professor Jawwad Darr (UCL Chemistry).

"Vi ser att öka ytan och att inkludera oordning i kristallstrukturen erbjuder nya vägar för viktig kemi att äga rum jämfört med ordnade kristaller.

Konventionellt, ordning önskas för att tillhandahålla tydliga diffusionsvägar, tillåter celler att laddas och laddas ur lätt – men det vi har sett tyder på att en oordnad struktur introducerar nya, tillgängliga diffusionsvägar som behöver undersökas ytterligare, " sa professor Jordi Cabana (University of Illinois i Chicago).

Dessa resultat är resultatet av ett spännande nytt samarbete mellan brittiska och amerikanska forskare. UCL och University of Illinois i Chicago avser att utöka sina studier till andra oordnade, material med stor yta, för att möjliggöra ytterligare vinster i magnesiumlagringskapacitet och utveckla ett praktiskt magnesiumbatteri.