Новый магниевый суперионный проводник для безлитиевых твердотельных аккумуляторов

По мере того, как мы движемся к более энергоэффективному обществу, потребность в экономичных батареях большой емкости больше, чем когда-либо. Магний является многообещающим материалом для таких твердотельных батарей из-за его распространенности, но его практическое применение ограничено плохой проводимостью ионов магния (Mg2+) в твердых телах при комнатной температуре. Недавно исследователи из Японии разработали новый Mg2+ проводник с практически применимой сверхпроводимостью 10-3 S см-1преодолев этот многолетний барьер.


Разработка высокоэффективных накопителей энергии, которые могут хранить возобновляемую энергию, имеет решающее значение для устойчивого будущего. В современном мире твердотельные перезаряжаемые литий-ионные (Li+) батареи являются современными. Но литий — это редкоземельный металл, и зависимость общества от этого элемента, вероятно, приведет к быстрому сокращению ресурсов и последующему скачку цен.

Ион магния (Mg2+) ы набрали популярность как альтернатива Li+. Земная кора содержит достаточно магния, а Mg2+Утверждается, что энергетические устройства на основе энергии имеют высокую плотность энергии, высокую безопасность и низкую стоимость. Но широкое применение Mg2+ ограничивается его плохой проводимостью в твердых телах при комнатной температуре. мг2+ имеет плохую твердотельную проводимость, потому что двухвалентные положительные ионы (2+) испытывают сильное взаимодействие с соседними отрицательными ионами в твердом кристалле, препятствуя их миграции через материал.

Это препятствие недавно преодолела группа исследователей из Токийского научного университета (TUS). В своем новом исследовании, опубликованном в Интернете 4 мая 2022 г. и 18 мая 2022 г. в томе 144, выпуск 19 Журнала Американского химического общества, они впервые сообщают о твердом Mg2+ проводник с суперионной проводимостью 10−3 S см−1 (порог практического применения в твердотельных батареях). Эта величина проводимости для Mg2+ проводников является самым высоким из зарегистрированных на сегодняшний день. По словам младшего доцента Масааки Садакиё из TUS, руководившего исследованием, «в этой работе мы использовали класс материалов, называемых металлоорганическими каркасами (МОС). МОКС имеют высокопористую кристаллическую структуру, которая обеспечивает пространство для эффективной миграции Включенные ионы. Здесь мы дополнительно ввели в поры MOF «гостевую молекулу» – ацетонитрил, что позволило сильно ускорить проводимость Mg2+В исследовательскую группу также входили г-н Юто Йошида, также из TUS, профессор Теппей Ямада из Токийского университета, а также доцент Такаси Тояо и профессор Кен-ити Симидзу из Университета Хоккайдо. Статья была размещена в Интернете 4 мая. 2022 г. и опубликован в томе 144, выпуске 19 журнала 18 мая 2022 г.

Команда использовала MOF, известную как MIL-101, в качестве основного каркаса, а затем инкапсулировала Mg.2+ ионов в его нанопорах. В полученном электролите на основе MOF Mg2+ был рыхло упакован, что позволяло мигрировать двухвалентному Mg2+ ионы. Чтобы еще больше повысить ионную проводимость, исследовательская группа подвергла электролит воздействию паров ацетонитрила, которые были адсорбированы MOF в виде гостевых молекул.

Затем команда подвергла подготовленные образцы испытанию импеданса переменного тока (AC) для измерения ионной проводимости. Они обнаружили, что Mg2+ электролит показал суперионную проводимость 1,9 × 10−3 S см−1. Это самая высокая проводимость из когда-либо зарегистрированных для кристаллического твердого вещества, содержащего Mg.2+.

Чтобы понять механизм такой высокой проводимости, исследователи провели инфракрасную спектроскопию и изотермы адсорбции электролита. Испытания показали, что молекулы ацетонитрила, адсорбированные в каркасе, обеспечивают эффективную миграцию Mg2+ ионов через тело твердого электролита.

Эти результаты этого исследования не только раскрывают новый Mg на основе MOF.2+ проводник в качестве подходящего материала для аккумуляторных батарей, но также дают важную информацию о разработке будущих твердотельных батарей. «Долгое время считалось, что двухвалентные ионы или ионы с более высокой валентностью не могут эффективно переноситься через твердое тело. В этом исследовании мы продемонстрировали, что если кристаллическая структура и окружающая среда хорошо спроектированы, то твердое тело с высокой Проводник проводимости находится в стадии исследования», — объясняет доктор Садакиё.

Отвечая на вопрос о планах исследовательской группы на будущее, он отвечает: «Мы надеемся внести дальнейший вклад в развитие общества, разработав двухвалентный проводник с еще более высокой ионной проводимостью».