04.12.2020 - University of Houston

Durchbruch bei der Entwicklung von Magnesiumbatterien

Neue Kathode und neuer Elektrolyt ermöglichen Hochleistungsbatterie, die bisher für unmöglich gehalten wurde

Magnesiumbatterien galten lange Zeit als eine potenziell sicherere und kostengünstigere Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, aber frühere Versionen waren in ihrer Leistung stark eingeschränkt.

Forscher der University of Houston und des Toyota Research Institute of North America (TRINA) berichten in Nature Energy, dass sie eine neue Kathode und einen neuen Elektrolyten entwickelt haben - bisher die limitierenden Faktoren für eine Hochenergie-Magnesium-Batterie - um eine Magnesium-Batterie zu demonstrieren, die bei Raumtemperatur betrieben werden kann und eine Leistungsdichte liefert, die mit der von Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar ist.

Da der Bedarf an Energiespeicherung im Netzmaßstab und anderen Anwendungen immer dringender wird, haben die Forscher nach kostengünstigeren und leichter verfügbaren Alternativen zu Lithium gesucht.

Magnesium-Ionen halten die doppelte Ladung von Lithium, während sie einen ähnlichen Ionenradius haben. Infolgedessen verläuft die Dissoziation von Magnesium aus Elektrolyten und seine Diffusion in der Elektrode, zwei wesentliche Prozesse, die in klassischen Interkalationskathoden ablaufen, bei Raumtemperatur nur schleppend, was zu der geringen Leistung führt.

Ein Ansatz zur Bewältigung dieser Herausforderungen besteht darin, die chemischen Reaktionen bei erhöhten Temperaturen zu verbessern. Der andere Ansatz umgeht die Schwierigkeiten, indem Magnesiumkation in seinen komplexen Formen gespeichert wird. Beide Ansätze sind nicht praktikabel.

Yan Yao, Cullen-Professor für Elektro- und Computertechnik an der Universität Houston und Mitautor des Artikels, sagte, dass die bahnbrechenden Ergebnisse durch die Kombination einer organischen Chinonkathode und einer neuen maßgeschneiderten Elektrolytlösung auf Bor-Cluster-Basis erzielt wurden.

"Wir demonstrierten eine heterogene Redox-Enolisierungschemie, um eine Kathode zu schaffen, die nicht durch die Herausforderungen der Ionendissoziation und der Festkörperdiffusion behindert wird, die Magnesiumbatterien daran gehindert haben, bei Raumtemperatur effizient zu arbeiten", sagte Yao. "Diese neue Klasse der Redox-Chemie umgeht die Notwendigkeit der Festkörper-Interkalation, indem sie ausschließlich Magnesium anstelle seiner komplexen Formen speichert, wodurch ein neues Paradigma im Design von Magnesium-Batterieelektroden geschaffen wird.

Yao, der auch ein Hauptforscher am Texas Center for Superconductivity an der UH (TcSUH) ist, ist führend in der Entwicklung von multivalenten Metall-Ionen-Batterien. Seine Gruppe veröffentlichte kürzlich einen Übersichtsartikel in Nature Energy über die Roadmap zu besseren multivalenten Batterien.

TRINA-Forscher haben enorme Fortschritte auf dem Gebiet der Magnesiumbatterien gemacht, darunter die Entwicklung hoch anerkannter, effizienter Elektrolyte auf der Basis von Bor-Cluster-Anionen. Diese Elektrolyte hatten jedoch Grenzen bei der Unterstützung hoher Batteriezyklusraten.

"Wir hatten Hinweise darauf, dass Elektrolyte, die auf diesen schwach koordinierenden Anionen basieren, prinzipiell das Potenzial haben könnten, sehr hohe Zyklenraten zu unterstützen, also arbeiteten wir daran, ihre Eigenschaften zu optimieren", sagte Rana Mohtadi, eine leitende Wissenschaftlerin in der Materialforschungsabteilung von TRINA und Mitautorin. "Wir haben dies angepackt, indem wir unsere Aufmerksamkeit auf das Lösungsmittel richteten, um seine Bindung an die Magnesiumionen zu reduzieren und die Kinetik des Massentransports zu verbessern.

"Wir waren fasziniert davon, dass die Magnesiumbeschichtung des modifizierten Elektrolyten auch bei sehr hohen Zyklenzahlen glatt blieb. Wir glauben, dass dies eine neue Facette der Magnesiumbatterie-Elektrochemie enthüllt.

Die Arbeit ist zum Teil eine Fortsetzung früherer Bemühungen, die 2018 in Joule beschrieben wurden und an denen viele der gleichen Forscher beteiligt waren. Zu den Koautoren gehören neben Yao und Mohtadi die Erstautoren Hui Dong, ehemals Mitglied des Labors von Yao und jetzt Postdoc-Forscher an der University of Texas in Austin, und Oscar Tutusaus von TRINA; Yanliang Liang und Ye Zhang von der UH und TcSUH; und Zachary Lebens-Higgins und Wanli Yang vom Lawrence Berkeley National Laboratory. Lebens-Higgins ist auch mit der Universität Binghamton verbunden.

"Die neue Batterie ist fast zwei Größenordnungen höher als die von früheren Magnesiumbatterien erreichte Leistungsdichte", sagte Dong. "Die Batterie war in der Lage, über 200 Zyklen mit etwa 82% Kapazitätserhalt weiter zu arbeiten und zeigte dabei eine hohe Stabilität. Wir können die Zyklenstabilität weiter verbessern, indem wir die Eigenschaften der Membran mit einer verbesserten Zwischeneinfangfähigkeit maßschneidern".

Tutusaus sagte, dass die Arbeit die nächsten Schritte hin zu Hochleistungs-Magnesium-Batterien vorschlägt.

"Unsere Ergebnisse geben die Richtung für die Entwicklung von Hochleistungs-Kathodenmaterialien und Elektrolytlösungen für Magnesiumbatterien vor und eröffnen neue Möglichkeiten für die Verwendung von energiedichten Metallen zur schnellen Energiespeicherung", sagte er.

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