Устранение барьеров на пути коммерциализации магниевых вторичных аккумуляторов
Исследовательская группа под руководством доктора Мины Ли из исследовательского центра накопления энергии Корейского института передовых наук и технологий (KIST) разработала стратегию химической активации металлического магния, которая обеспечивает эффективную работу магниевых аккумуляторов в обычных электролитах, не содержащих агрессивных добавок, и может быть произведена серийно. Исследование опубликовано в журнале ACS Nano.
В то время как спрос на литий-ионные аккумуляторы стремительно растет из-за быстрого роста рынков электромобилей и систем накопления энергии (ESS), предложение и спрос на их сырье, такое как литий и кобальт, в основном зависят от конкретных стран, и поэтому существуют большие опасения по поводу обеспечения стабильной цепочки поставок. По этой причине активно проводятся исследования по созданию вторичных аккумуляторов следующего поколения, и все большее внимание привлекают вторичные аккумуляторы, использующие магний, который в изобилии содержится в земной коре.
Можно ожидать, что магниевые вторичные аккумуляторы будут обладать высокой плотностью энергии, поскольку в них используется Mg2+, двухвалентный ион, вместо одновалентных ионов щелочных металлов, таких как литий. Самая высокая плотность энергии может быть получена при непосредственном использовании металлического магния в качестве анода, объемная емкость которого примерно в 1,9 раза выше, чем у металлического лития.
Несмотря на эти преимущества, сложность эффективной зарядки и разрядки металлического магния из-за его реакционной способности с электролитами препятствовала его коммерциализации. Исследователи KIST разработали технологию, позволяющую индуцировать высокоэффективную реакцию заряда и разряда металлического магния, что открывает возможность коммерциализации магниевых вторичных аккумуляторов.
В частности, в отличие от предыдущих исследований, в которых использовались коррозионные электролиты для облегчения зарядки и разрядки магния, исследователи использовали обычный электролит с составом, аналогичным существующим коммерческим электролитам, что позволяет использовать высоковольтные электроды и сводит к минимуму коррозию компонентов батареи.
Команда синтезировала искусственный защитный слой с новым составом на основе олигомеров алкилгалогенида магния на поверхности магния с помощью простого процесса погружения металлического магния, который будет использоваться в качестве анода, в реакционноспособный раствор алкилгалогенида перед сборкой элемента. Они обнаружили, что выбор конкретного реагирующего растворителя способствует образованию наноструктур на поверхности магния, что, в свою очередь, способствует растворению и осаждению магния.
Основываясь на этом, они подавили нежелательные реакции с электролитами и увеличили площадь реакции до максимума за счет наноструктурирования, чтобы вызвать высокоэффективное циклирование магния.
Применяя разработанную технологию, перенапряжение может быть снижено с более чем 2 В до менее чем 0,2 В при зарядке и разрядке металлического магния в обычном электролите без агрессивных добавок, а кулоновский КПД может быть увеличен с менее чем 10% до более чем 99,5%. Команда продемонстрировала стабильную зарядку и разрядку активированного металлического магния в течение более чем 990 циклов, подтвердив, что магниевые аккумуляторные батареи могут работать в обычных электролитах, которые могут производиться серийно.
«Эта работа открывает новое направление для существующих исследований магниевых вторичных аккумуляторов, в которых используются агрессивные электролиты, предотвращающие образование межфазных слоев на поверхностях металлического магния», — сказала доктор Мина Ли из KIST. «Это увеличит возможности создания недорогих магниевых вторичных аккумуляторов с высокой плотностью энергии на основе обычных электролитов, подходящих для систем накопления энергии (ESS)».