Ученые из национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии (NREL) Министерства энергетики США обнаружили новый подход к разработке перезаряжаемой неводной магниево-металлической батареи.
Ученые впервые разработали метод комбинирования обратимой химии металлического магния с коррозионностойкими карбонатными электролитами, а затем протестировали концепцию в прототипной клетке. Эта технология обладает потенциальными преимуществами по сравнению с литий-ионными батареями, в частности, более высокой плотностью энергии, большей стабильностью и более низкой стоимостью.
Доминирующая технология ионно-литиевых батарей приближается к максимальному объему энергии, которая может быть сохранена на единицу объема, поэтому существует настоятельная необходимость в изучении новой химии для батарей, которые смогут обеспечить больше энергии за меньшую цену. Такое открытие как раз и предоставит новые возможности для создания магниевых батарей.
Электрохимическая реакция активирует батарею путём перемещения ионов через жидкость (электролит) от отрицательного электрода (катода) к положительному электроду (аноду). Для батарей, использующих литий, электролит представляет собой солевой раствор, содержащий ионы лития. Для обеспечения возможности перезарядки аккумулятора эта электрохимическая реакция должна быть обратимой.
Магниевые батареи (Mg) теоретически содержат почти вдвое больше энергии на единицу объема, чем литий-ионные батареи. Но предыдущие исследования столкнулись с препятствием: химические реакции с обычным карбонатным электролитом создали барьер на поверхности магния, который предотвратил перезарядку батареи. Ионы магния могли перемещаться в обратном направлении благодаря использованию жидкого электролита, имеющего высокую коррозионную активность, но это препятствовало возможности использования высоковольтной магниевой батареи.
Стремясь преодолеть эти препятствия, исследователи разработали искусственную межфазную границу твёрдого электролита из полиакрилонитрила и соли магния-иона, которая защищает поверхность магниевого анода. Этот защищенный анод продемонстрировал заметно улучшенную производительность.
Ученые собрали прототипные клетки, чтобы доказать устойчивость искусственной межфазной границы и смогли показать многообещающие результаты: клетка с защищенным анодом позволила процесс обратимой химии Mg в карбонатном электролите, что не удавалось ранее. Ячейка с защищенным анодом Mg также обеспечивала больше энергии, чем прототип без защиты, что продолжилось и во время повторяющихся циклов. Кроме того, батарея из металлического магния была перезаряжаема, что обеспечивает беспрецедентную возможность одновременного устранения несовместимости анода / электролита и ограничений на ионы, выходящие из катода.
Помимо того, что он более доступный, чем литий, магний имеет и другие потенциальные преимущества по сравнению с более известной технологией батареи. Во-первых, магний выделяет два электрона на литиевый электрон, что дает ему возможность обеспечивать почти в два раза больше энергии, чем литий. Во-вторых, магниево-металлические батареи не страдают от роста дендритов, являющиеся кристаллами, которые могут вызвать короткое замыкание и, следовательно, опасный перегрев и даже пожары, что делает потенциальные магниевые батареи более безопасными, чем литий-ионные батареи.
