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Mageres Elektrolyt-Design ist ein entscheidender Baustein für Magnesiumbatterien. Chloridfreier Elektrolyt und organische Kathode erhöhen die Energiedichte und Stabilität
Jan 10, 2019

Datum: 21. Dezember 2018

Zusammenfassung:

Forscher haben eine vielversprechende neue Version von Hochenergie-Magnesiumbatterien entdeckt. Mögliche Anwendungen reichen von Elektrofahrzeugen bis hin zu Batteriespeichern für erneuerbare Energiesysteme.

 

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GANZE GESCHICHTE

Forscher der University of Houston und des Toyota Research Institute of America haben eine vielversprechende neue Version von energiereichen Magnesiumbatterien entdeckt. Mögliche Anwendungen reichen von Elektrofahrzeugen bis hin zu Batteriespeichern für erneuerbare Energiesysteme.

 

Die Batterie, die am 21. Dezember in Joule berichtet wurde, ist die erste, die mit einer begrenzten Menge an Elektrolyten betrieben wurde, während eine organische Elektrode verwendet wurde. Eine Änderung, die den Forschern zufolge erlaubt, viel mehr Energie zu speichern und zu entladen als frühere Magnesiumbatterien. Sie verwendeten einen chloridfreien Elektrolyten, eine weitere Alternative zum herkömmlichen Elektrolyten, der von Magnesiumbatterien verwendet wurde, was die Entdeckung ermöglichte.

 

Laut Yan Yao, Professor für Elektro- und Computertechnik an der UH, konnten die Forscher bestätigen, dass Chlorid in dem üblicherweise verwendeten Elektrolyt zu einer schleppenden Leistung beiträgt. "Das Problem, das wir ansprechen wollten, ist die Auswirkung von Chlorid", sagte er. "Es wird universell verwendet."

 

Yao, der auch als Hauptforscher am Texas Center for Suprconductivity in UH tätig ist, und sein Team verwendeten den chloridfreien Elektrolyten, um organische Chinon-Polymerkathoden mit einer Magnesiummetallanode zu testen, und gaben an, bis zu 243 Wattstunden pro Kilogramm zu liefern mit einer Leistung von bis zu 3,4 Kilowatt pro Kilogramm. Die Batterie blieb über 2500 Zyklen stabil.

 

Wissenschaftler haben jahrzehntelang nach einer hochenergetischen Magnesiumbatterie gesucht, um die natürlichen Vorteile von Magnesium gegenüber Lithium, dem Element, das in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, zu nutzen. Magnesium ist weitaus häufiger und daher weniger teuer. Es ist nicht anfällig für Verstöße in seiner inneren Struktur - Dendriten genannt -, die dazu führen können, dass Lithiumbatterien explodieren und Feuer fangen.

 

Magnesiumbatterien sind jedoch erst dann kommerziell wettbewerbsfähig, wenn sie große Energiemengen speichern und entladen können. Yao sagte, vorherige Kathoden- und Elektrolytmaterialien seien ein Stolperstein gewesen.

 

Die Kathode ist die Elektrode, von der der Strom in einer Batterie fließt, während die Elektrolyten das Medium sind, durch das die Ionenladung zwischen Kathode und Anode fließt.

 

Weitere Forscher an dem Projekt waren Erstautoren Hui Dong, Doktorand an der UH, und Yanliang Leonard Liang, wissenschaftlicher Assistent an der UH; Oscar Tutusaus und Rana Mohtadi, beide mit dem Toyota Research Institute of North America; und die UH-Doktoranden Ye Zhang und Fang Hao.

 

"Durch (die) optimale Kombination von organischen Carbonylpolymerkathoden und Mg-Speicher-aktivierenden Elektrolyten können wir eine hohe spezifische Energie, Leistung und Zyklenstabilität nachweisen, die in Mg-Batterien selten zu sehen sind", schrieben sie.

 

Liang stellte fest, dass die beste Kathode für Magnesiumbatterien ein vor fast 20 Jahren entwickeltes Molybdänsulfid der Chevrel-Phase war. Er habe weder die Kraft noch die Energiespeicherkapazität, um mit Lithiumbatterien zu konkurrieren, sagte er.

 

Aktuelle Berichte legen jedoch nahe, dass organische Kathodenmaterialien bei Raumtemperatur eine hohe Speicherkapazität bieten können. "Wir waren neugierig warum", sagte Liang.

 

Dong sagte, dass beide getesteten organischen Polymerkathoden eine höhere Spannung als die Chevrel-Phasenkathode bereitstellten.

 

Yao sagte, die zukünftige Forschung werde sich darauf konzentrieren, die spezifische Kapazität und Spannung der Batterien weiter zu verbessern, um gegen Lithiumbatterien zu konkurrieren.

 

"Magnesium ist viel reichlicher und es ist sicherer", sagte er. "Die Leute hoffen, dass eine Magnesiumbatterie die Risiken von Lithiumbatterien lösen kann."

 

Yao erhielt den Preis der University of Houston für Exzellenz in der Forschung und wurde 2018 von Clarivate Analytics als "Highly Cited Researcher" ausgezeichnet, der auf "außergewöhnlichen Forschungsleistungen basiert, die laut Zitaten im Web of Science unter den ersten 1% liegen".

 

Geschichtenquelle:

 

Von der University of Houston zur Verfügung gestellte Materialien. Original von Jeannie Kever geschrieben. Hinweis: Der Inhalt kann für Stil und Länge bearbeitet werden.