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Forschung überwindet technische Haupthindernisse bei Magnesium-Metall-Batterien
Apr 16, 2018

Die Forschung überwindet größere technische Hindernisse bei Magnesium-Metall-Batterien

3. April 2018, Nationales Labor für erneuerbare Energien

Weitere Informationen: Eine künstliche Interphase ermöglicht reversible Magnesiumchemie in Carbonat-Elektrolyten, Nature Chemistry (2018) doi: 10.1038 / s41557-018-0019-6  

Zur Verfügung gestellt von National Renewable Energy Laboratory

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Wissenschaftler des National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums haben einen neuen Ansatz für die Entwicklung einer wiederaufladbaren nichtwässrigen Magnesium-Metall-Batterie gefunden.

 

Ein in Nature Chemistry veröffentlichtes Proof-of-Concept- Dokument beschrieb, wie die Wissenschaftler eine Methode zur Ermöglichung der reversiblen Chemie von Magnesiummetall in den nichtkorrosiven Karbonat-basierten Elektrolyten entwickelten und das Konzept in einer Prototypzelle testeten. Die Technologie besitzt potentielle Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere eine höhere Energiedichte , größere Stabilität und geringere Kosten.

 

Die NREL-Forscher (von links) Seoung-Bum Son, Steve Harvey, Andrew Norman und Chunmei Ban sind Koautoren des Whitepapers Nature Chemistry, "Eine künstliche Interphase ermöglicht reversible Magnesiumchemie in Carbonatelektrolyten", die mit einer Time-of-Flight arbeitet Sekundärionen-Massenspektrometrie. Das Gerät ermöglicht es, Materialabbau- und Ausfallmechanismen im Mikro- bis Nanobereich zu untersuchen. (Foto von Dennis Schroeder / NREL)

 

"Als Wissenschaftler denken wir immer: was kommt als nächstes?" sagte Chunmei Ban, ein Wissenschaftler in der Abteilung für Materialwissenschaften des NREL und korrespondierender Autor des Artikels, "Eine künstliche Interphase ermöglicht reversible Magnesiumchemie in Carbonatelektrolyten." Die dominierende Lithium-Ionen- Batterietechnologie nähert sich der maximalen Menge an Energie, die pro Volumen gespeichert werden kann, so "es besteht ein dringender Bedarf, neue Batteriechemikalien zu erforschen", die mehr Energie bei niedrigeren Kosten bereitstellen können.

 

"Dieses Ergebnis wird einen neuen Weg für das Design von Magnesiumbatterien eröffnen", sagte Seoung-Bum Son, ein ehemaliger NREL-Postdoc und Wissenschaftler am NREL und erster Autor des Artikels. Weitere Co-Autoren von NREL sind Steve Harvey, Adam Stokes und Andrew Norman.

 

Eine elektrochemische Reaktion treibt eine Batterie an, wenn Ionen durch eine Flüssigkeit ( Elektrolyt ) von der negativen Elektrode (Kathode) zur positiven Elektrode (Anode) fließen . Bei Batterien, die Lithium verwenden, ist der Elektrolyt eine Salzlösung, die Lithiumionen enthält. Wichtig ist auch, dass die chemische Reaktion reversibel sein muss, damit die Batterie wieder aufgeladen werden kann.

 

Magnesium (Mg) Batterien enthalten theoretisch fast doppelt so viel Energie pro Volumen wie Lithium-Ionen-Batterien. Aber frühere Forschung stieß auf ein Hindernis: chemische Reaktionen des konventionellen Karbonatelektrolyten erzeugten eine Barriere auf der Oberfläche von Magnesium, die das Wiederaufladen der Batterie verhinderte. Die Magnesiumionen könnten in umgekehrter Richtung durch einen hochkorrosiven Flüssigelektrolyten fließen, was jedoch die Möglichkeit einer erfolgreichen Hochspannungs-Magnesiumbatterie verhinderte.

 

Um diese Hindernisse zu überwinden, entwickelten die Forscher eine künstliche Festelektrolyt-Zwischenphase aus Polyacrylnitril und Magnesiumionen-Salz, die die Oberfläche der Magnesiumanode schützte. Diese geschützte Anode zeigte eine deutlich verbesserte Leistung.

 

Seite-an-Seite-Illustrationen zeigen, wie NREL-Wissenschaftler ein Problem mit der Herstellung einer wiederaufladbaren Magnesiumbatterie gelöst haben.

 

Die Wissenschaftler stellten Prototypzellen zusammen, um die Robustheit der künstlichen Interphase nachzuweisen, und fanden vielversprechende Ergebnisse: Die Zelle mit der geschützten Anode ermöglichte eine reversible Mg-Chemie in Carbonatelektrolyten, die zuvor noch nie nachgewiesen worden war. Die Zelle mit dieser geschützten Mg-Anode lieferte auch mehr Energie als der Prototyp ohne den Schutz und fuhr dies während wiederholter Zyklen fort. Darüber hinaus hat die Gruppe die Wiederaufladbarkeit der Magnesium-Metall-Batterie demonstriert, die einen beispiellosen Weg bietet, um gleichzeitig die Anoden / Elektrolyt-Inkompatibilität und die Beschränkungen für Ionen, die die Kathode verlassen, zu adressieren.

 

Neben der leichteren Verfügbarkeit als Lithium hat Magnesium andere potentielle Vorteile gegenüber der etablierten Batterietechnologie. Erstens gibt Magnesium zwei Elektronen an Lithium ab, was ihm die Möglichkeit gibt, fast doppelt so viel Energie wie Lithium zu liefern. Und zweitens erfahren Magnesium-Metall-Batterien nicht das Wachstum von Dendriten, bei denen es sich um Kristalle handelt, die Kurzschlüsse und damit gefährliche Überhitzung und sogar Brand verursachen können. Dadurch sind potenzielle Magnesiumbatterien viel sicherer als Lithium-Ionen-Batterien.