26.08.2021 - Tohoku University

Hochleistungs-Magnesium-Akkus kommen der Realisierung einen Schritt näher

Wiederaufladbare Magnesiumbatterien (magnesium rechargeable batteries, MRBs), bei denen Mg-Metall mit hoher Kapazität als Anodenmaterial verwendet wird, sind aufgrund ihrer Energiedichte, Sicherheit und Kosten vielversprechende Kandidaten für Batterien der nächsten Generation. Der Mangel an leistungsfähigen Kathodenmaterialien behindert jedoch ihre Entwicklung.

Wie ihre Lithium-Ionen-Pendants sind Übergangsmetalloxide die wichtigsten Kathodenmaterialien in MRBs. Die langsame Diffusion von Mg-Ionen im Inneren der Oxide stellt jedoch ein ernsthaftes Problem dar. Um dieses Problem zu lösen, haben einige Forscher Materialien auf Schwefelbasis erforscht. Schwefelbasierte Kathoden für MRBs haben jedoch schwerwiegende Einschränkungen: niedrige elektronische Leitfähigkeit, langsame Mg-Diffusion in festen Mg-S-Verbindungen und Löslichkeit von Polysulfiden in Elektrolyten, was zu niedriger Rate und schlechter Zyklierbarkeit führt.

Nun hat ein Forscherteam, dem auch Dr. Shimokawa und Professor Ichitsubo von der Tohoku-Universität angehören, Flüssigschwefel/Sulfid-Verbundkathoden entwickelt, die Magnesiumbatterien mit hoher Rate ermöglichen. Ihre Arbeit wurde im Journal of Materials Chemistry A veröffentlicht.

Die Flüssig-Schwefel/Sulfid-Verbundmaterialien können spontan durch elektrochemische Oxidation von Metallsulfiden, wie z. B. Eisensulfid, in einem ionischen Flüssigelektrolyten bei 150 °C hergestellt werden. Das Kompositmaterial zeigte eine hohe Leistung in Bezug auf Kapazität, Potenzial, Zyklierbarkeit und Durchsatzleistung.

Die Forscher erreichten eine Entladekapazität von ~900 mAh/g bei einer hohen Stromdichte von 1246 mA/g, bezogen auf die Masse des aktiven Schwefels. Darüber hinaus zeigten sie, dass das Entladepotenzial durch die Verwendung von Nicht-Gleichgewichts-Schwefel, der durch schnelle Ladevorgänge gebildet wird, verbessert wurde.

Dieses Material ermöglichte eine stabile Kathodenleistung bei 150 für mehr als 50 Zyklen. Diese hohe Zyklenfestigkeit könnte auf die folgenden Punkte zurückzuführen sein: hohe strukturelle Reversibilität des aktiven Materials im flüssigen Zustand, geringe Löslichkeit der Polysulfide im ionischen Flüssigelektrolyten und hoher Nutzungsgrad des Schwefels aufgrund seiner Adhäsion an leitfähige Sulfidpartikel, die während der Synthese der Verbundmaterialien eine poröse Morphologie bilden.

Trotz der Fortschritte, die die Forscher erzielt haben, bleiben einige Probleme bestehen. "Wir brauchen Elektrolyte, die sowohl mit dem Kathoden- als auch mit dem Anodenmaterial kompatibel sind, da die in dieser Arbeit verwendete ionische Flüssigkeit die Mg-Metall-Anode passiviert", so Shimokawa. "In Zukunft ist es wichtig, neue elektrochemisch stabile Elektrolyte zu entwickeln, um die MRBs für eine breite Anwendung praktikabler zu machen."

Obwohl sich MRBs noch in der Entwicklungsphase befinden, hofft das Forscherteam, dass seine Arbeit einen neuen Weg zur Nutzung von flüssigem Schwefel als Hochleistungskathodenmaterial für MRBs eröffnet. "Dies würde die Verbesserung von Materialien auf Schwefelbasis vorantreiben, um Hochleistungsbatterien der nächsten Generation zu erreichen", fügte Shimokawa hinzu.

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