Дослідники з Токійського університету науки ( TUS) розробили новий електролітний матеріал, який покращує провідність іонів магнію при кімнатній температурі, відкриваючи шлях до наступного кроку в розробці магнієво-іонних (Mg2+) акумуляторів. За словами дослідників, Mg2+-батареї, які вважаються дешевшою альтернативою літій-іонним, зіткнулися з великими перешкодами через погану провідність іонів магнію в твердих речовинах при кімнатній температурі.
«Літій-іонна батарея має перевагу в гравіметричній щільності енергії, тому підходить для мобільного використання (наприклад, телефону)», — сказав Масаакі Садакійо, доктор філософії, молодший доцент відділу I факультету природничих наук, кафедра прикладної хімії. в ТУС. Але літій (Li) є рідкісним елементом, сказав він.
«З іншого боку, акумулятор Mg2+ має перевагу в об’ємній щільності енергії та вартості (тобто менше використання рідкісного елемента), що буде вигідним у стаціонарному використанні (наприклад, накопичувачі енергії для відновлюваних джерел)», – додав він. «Враховуючи те, що літій є обмеженим ресурсом на Землі, великомасштабні накопичувачі енергії в майбутньому світі повинні бути замінені іншими батареями, такими як Mg2+».
Магній є перспективним матеріалом для твердотільних батарей завдяки його великій кількості, а енергетичні пристрої на основі Mg2+ мають високу щільність енергії, високу безпеку та низьку вартість, кажуть дослідники. Однак широке застосування Mg2+ було обмежене його поганою провідністю в твердих тілах при кімнатній температурі, вони повідомили: «Mg2+ має погану твердотільну провідність, оскільки двовалентні позитивні іони (2+) відчувають сильну взаємодію з сусідніми негативними іонами в твердій речовині. кристал, перешкоджаючи їх міграції крізь матеріал».
Дослідники з TUS вважають, що вони вирішили проблему обмеження хімічної речовини за допомогою провідника Mg2+ на основі металоорганічної основи (MOF) із суперіонною провідністю при кімнатній температурі. Вони повідомили, що електроліт Mg2+ досяг надпровідності 1,9 × 10–3 См–1, що є порогом для практичного застосування в твердотільних батареях.
Дослідники поділилися своїми висновками в дослідженні, опублікованому в Journal of the American Chemical Society. Ключовий результат показує, що провідність є найвищою на сьогоднішній день для кристалічної твердої речовини з Mg2+, долаючи десятиліттями перешкоду.
Садакійо, який керував дослідженням «Новий магнієвий суперіонний провідник до твердої речовини без літію». -State Batteries», описав матеріали, що використовуються як MOF, які мають високопористу кристалічну структуру, що забезпечує ефективну міграцію іонів.
Дослідники ввели «гостьову молекулу», ацетонітрил, у пори MOF, який прискорив провідність Mg2+.
Провідник Mg2+, що складається з металоорганічної основи. Натисніть, щоб збільшити зображення. (Джерело: Масаакі Садакіо, Токійський науковий університет)
«Наша стаття пов’язана з розробкою електроліту для твердотільних батарей (тобто провідника Mg2+)», — сказав Садакійо. «Ми підготували новий провідник Mg2+ і розчистили його іонопровідний механізм. Ми пояснили, що Mg2+, який міститься в порах певного твердого матеріалу (тобто MOF), ефективно мігрує під певними органічними парами, і що отримана провідність Mg2+ є достатньо високою, щоб використовувати її для батареї».
Команда використала MOF під назвою MIL-101 як каркас, інкапсулюючи іони Mg2+ у його нанопорах. Це створило електроліт на основі MOF, де Mg2+ був нещільно упакований, дозволяючи міграцію двовалентних іонів Mg2+. Потім для поліпшення іонної провідності вводили в електроліт пари ацетонітрилу. Зразки були піддані випробуванню імпедансу змінного струму для вимірювання іонної провідності.
Інші вимірювання та випробування показали, що молекули ацетонітрилу, адсорбовані в каркасі, забезпечують ефективну міграцію іонів Mg2+ через тіло твердий електроліт. Це продемонструвало, що провідник Mg2+ на основі MOF є придатним матеріалом для батарей.
Садакійо вважає, що цей прорив на крок наближає галузь до комерційної батареї Mg2+, хоча в інших сферах потрібно ще більше працювати. «Ми вважаємо, що наші висновки сприяють реалізації батареї Mg2+ з точки зору електроліту», — сказав він. «Однак, як ви згадали, існує багато інших проблем, пов’язаних із створенням практичної Mg2+ батареї не лише щодо електролітних матеріалів, але й для електродних матеріалів».
Дослідницька група планує застосувати цей матеріал до «справжньої» батареї, співпрацюючи з іншою лабораторією. Садакійо вважає, що спеціальна ліцензія не потрібна для комерційного використання, оскільки вони не отримали патент, а робота вже опублікована. «Однак на даний момент ми вважаємо, що є багато проблем, які слід вирішити додатковим дослідникам, щоб досягти реального використання батареї».
Один із наступних кроків для команди включає створення « інші нові матеріали, що демонструють вищу провідність Mg2+ з вищим транспортним числом Mg2+ з меншим тиском органічних парів», — сказав Садакійо. Команда також «зацікавлена в охопленні фундаментальної науки про провідність багатовалентних іонів (наприклад, Mg2+) у твердому стані».
На думку Садакійо, ми не побачимо комерційних батарей Mg2+, доступних на ринку, принаймні протягом 10–20 років.
Крім Садакійо, до дослідницької групи входять Юто Йосіда, також з TUS; професор Теппей Ямада з Токійського університету; а також доцент Такаші Тояо та професор Кен-ічі Шимізу з Університету Хоккайдо.
Источник: electronicproducts.com
