NREL-Forscher überwinden die Barriere für wiederaufladbare Magnesiumbatterien

Dokumentation 2015 Energie Aus Der Natur doku Auf Deutsch (March 2019).

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Eine künstliche Interphase ermöglicht eine erfolgreiche Diffusion von Mg2 + -Ionen während der Wiederaufladung unter Umgehung einer traditionellen Beschränkung von Mg-Batterien

Von Aalyia Shukat, mitwirkender Autor
Eine Gruppe von Wissenschaftlern des National Renewable Energy Laboratory (NREL) hat eine Technik entdeckt, mit der Magnesium (Mg) Batterien wieder aufgeladen werden können. Durch die Erzeugung einer künstlichen Metall-Elektrolyt-Interphase zum Schutz der Anodenoberfläche konnte das Team den Aufbau einer chemischen Barriere verhindern, die sich während der Entladung bildete und die Wiederaufladeversuche blockierte. Der kürzlich erschienene Artikel " Eine künstliche Interphase ermöglicht die reversible Magnesiumchemie in Carbonatelektrolyten " in der angesehenen Fachzeitschrift Nature Chemistry erwähnt die erfolgreiche reversible Mg-Chemie von zusammengebauten Prototypzellen.

"Dieses Ergebnis wird einen neuen Weg für das Design von Magnesiumbatterien eröffnen", sagte Seoung-Bum Son, Erstautor und Wissenschaftler bei NREL. Zu den weiteren Co-Autoren des NREL gehören Steve Harvey, Adam Stokes und Andrew Norman. "Die dominante Lithium-Ionen-Batterie-Technologie nähert sich der maximalen Menge an Energie, die pro Volumen gespeichert werden kann", sagte sie, "es besteht daher ein dringender Bedarf, neue Batteriechemikalien zu erforschen."

Batterien auf Magnesiumbasis haben mehrere Vorteile gegenüber den Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen), einschließlich der Kosteneffektivität (Mg ist das fünfthäufigste Element auf der Erde) und einer höheren Kapazität (3.832 mAh / cm 3 gegenüber 2.061 mAh / cm 3 für Li-Ion). Mg-Batterien hatten jedoch traditionell den Hauptnachteil der Bildung einer Oberflächenschicht aus der chemischen Wechselwirkung zwischen Metall und Elektrolyt.

Typischerweise zwingt das Wiederaufladen einer Batterie die Ionen an der Kathodenelektrode zurück zu der Anode bis zu einem Punkt, an dem genügend elektrochemisches Potential vorhanden ist. Li-Ionen-Batterien haben eine durchlässige Schicht oder Festelektrolyt-Zwischenphase (SEI) zwischen dem Metall und dem Elektrolyten, die den Durchgang von Ionen ermöglicht, während verhindert wird, dass der Elektrolyt reduziert wird.

Bei Mg-Batterien erzeugt die Zersetzung an der Grenzfläche des Metalls eine blockierende Passivierungsschicht in Mg-Batterien, die eine reversible elektrochemische Reaktion verhindert. Darüber hinaus war in der Vergangenheit eine Metall-Feststoff-Zwischenphase nicht durchführbar, da die zweiwertigen Mg 2+ -Ionen typischerweise die Schicht nicht durchdringen konnten. Und in Szenarien, in denen die Mg-Ionen in einer umgekehrten Richtung fließen könnten, war es durch einen hochkorrosiven flüssigen Elektrolyten, der die erfolgreiche Implementierung einer Hochspannungs-Mg-Batterie verhinderte.

Illustration von John Frenzl / NREL.

Die neuartige Zwischenphase aus Polyacrylnitril und Magnesiumionen-Salz zeigte eine hochreversible Mg-Chemie in oxidationsbeständigen Elektrolyten. Das Team von NREL setzte die künstliche Interphase in einer Mg / V 2 O 5- Vollzelle erfolgreich in dem wasserhaltigen Elektrolyt auf Carbonat-Basis ein, um reversible Zyklen zu ermöglichen.