Crystal breakthrough could hold the key to longer lasting batteries / La svolta di cristallo potrebbe consentire la realizzazione di batterie più durature
A study carried out by researchers at UCL and the University of Chicago Illinois has found that tiny particles of magnesium chromium oxide may hold the key to new magnesium batteries with better storage than conventional lithium-ion batteries.
The research, published in the Royal Society of Chemistry’s journal Nanoscale, reports a new, scalable method for making a material that can reversibly store magnesium ions at high-voltage, the defining feature of a cathode.
The group claims that this represents a significant step towards magnesium-based batteries. To date, very few inorganic materials have shown reversible magnesium removal and insertion, which is key for the magnesium battery to function.
“Lithium-ion technology is reaching the boundary of its capability, so it’s important to look for other chemistries that will allow us to build batteries with a bigger storage capacity and a slimmer design,” said co-lead author, UCL’s Dr Ian Johnson.
“Magnesium battery technology has been championed as a possible solution to provide longer-lasting phone and electric car batteries, but getting a practical material to use as a cathode has been a challenge.”
One factor limiting lithium-ion batteries is the anode. Low-capacity carbon anodes have to be used in lithium-ion batteries for safety reasons, as the use of pure lithium metal anodes can cause dangerous short circuits and fires.
In contrast, magnesium metal anodes are much safer, so partnering magnesium metal with a functioning cathode material would make a battery smaller and store more energy.
Previous research using computational models predicted that magnesium chromium oxide (MgCr2O4) could be a promising candidate for Mg battery cathodes.
Inspired by this work, UCL researchers produced a ~5nm, disordered magnesium chromium oxide material in a very rapid and relatively low temperature reaction.
Collaborators at the University of Illinois at Chicago then compared its magnesium activity with a conventional, ordered magnesium chromium oxide material ~7nm wide.
They used a range of different techniques including X-ray diffraction, X-ray absorption spectroscopy and cutting-edge electrochemical methods to see the structural and chemical changes when the two materials were tested for magnesium activity in a cell.
The two types of crystals behaved very differently, with the disordered particles displaying reversible magnesium extraction and insertion, compared to the absence of such activity in larger, ordered crystals.
“This suggests the future of batteries might lie in disordered and unconventional structures… It highlights the importance of seeing if other structurally defective materials might give further opportunities for reversible battery chemistry” explained UCL’s Professor Jawwad Darr.
The group now plans to expand its studies to other disordered, high surface area materials, to enable further gains in magnesium storage capability and develop a practical magnesium battery.
Funding for the project was provided by the Joint Center for Energy Storage Research, a US Department of Energy Innovation Hub, and the JUICED Energy Hub by the Engineering and Physical Sciences Research Council.
ITALIANO
Uno studio condotto da ricercatori dell'UCL e dell'Università di Chicago, Illinois, ha rilevato che minuscole particelle di ossido di magnesio e magnesio possono costituire la chiave per nuove batterie al magnesio con una migliore conservazione rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio.
La ricerca, pubblicata sulla rivista Nanoscale della Royal Society of Chemistry, riporta un nuovo metodo scalabile per creare un materiale che può immagazzinare reversibilmente ioni di magnesio ad alta tensione, la caratteristica che definisce un catodo.
Il gruppo afferma che questo rappresenta un passo significativo verso le batterie a base di magnesio. Ad oggi, pochissimi materiali inorganici hanno mostrato la rimozione e l'inserimento reversibili del magnesio, che è la chiave per il funzionamento della batteria al magnesio.
"La tecnologia agli ioni di litio sta raggiungendo il limite delle sue capacità, quindi è importante cercare altri prodotti chimici che ci consentano di costruire batterie con una capacità di archiviazione maggiore e un design più sottile", ha affermato il co-autore, il dott. Ian Johnson della UCL.
"La tecnologia delle batterie al magnesio è stata promossa come una possibile soluzione per fornire batterie telefoniche e elettriche per auto più durature, ma ottenere un materiale pratico da utilizzare come catodo è stata una sfida."
Un fattore che limita le batterie agli ioni di litio è l'anodo. Gli anodi di carbonio a bassa capacità devono essere utilizzati nelle batterie agli ioni di litio per motivi di sicurezza, in quanto l'uso di anodi di metallo puro al litio può causare pericolosi cortocircuiti e incendi.
Al contrario, gli anodi di magnesio sono molto più sicuri, quindi la collaborazione con il magnesio con un materiale catodico funzionante renderebbe una batteria più piccola e immagazzinerebbe più energia.
Precedenti ricerche condotte su modelli computazionali prevedevano che il magnesio ossido di cromo (MgCr2O4) potesse essere un candidato promettente per i catodi Mg della batteria.
Ispirato da questo lavoro, i ricercatori dell'UCL hanno prodotto un materiale di ossido di magnesio di 5 nm disordinato in una reazione di temperatura molto rapida e relativamente bassa.
I collaboratori dell'Università dell'Illinois di Chicago hanno poi confrontato la sua attività di magnesio con un materiale di ossido di magnesio ordinato di ~ 7 nm di larghezza.
Hanno usato una gamma di tecniche diverse tra cui la diffrazione dei raggi X, la spettroscopia di assorbimento dei raggi X e i metodi elettrochimici all'avanguardia per vedere i cambiamenti strutturali e chimici quando i due materiali sono stati testati per l'attività del magnesio in una cellula.
I due tipi di cristalli si comportavano in modo molto diverso, con le particelle disordinate che mostravano l'estrazione e l'inserzione reversibili del magnesio, rispetto all'assenza di tale attività in cristalli più grandi e ordinati.
"Questo suggerisce che il futuro delle batterie potrebbe risiedere in strutture disordinate e non convenzionali ... Sottolinea l'importanza di vedere se altri materiali strutturalmente difettosi potrebbero offrire ulteriori opportunità per la chimica reversibile della batteria", ha spiegato il professor Jawwad Darr dell'UCL.
Il gruppo ora progetta di estendere i suoi studi ad altri materiali disordinati, ad alta area superficiale, per consentire ulteriori guadagni nella capacità di stoccaggio del magnesio e sviluppare una pratica batteria al magnesio.
Il finanziamento per il progetto è stato fornito dal Centro comune per la ricerca sullo stoccaggio dell'energia, dal Dipartimento per l'innovazione energetica del Dipartimento degli Stati Uniti e dal Polo energetico JUICED dal Consiglio per la ricerca in Scienze ingegneristiche e fisiche.
Da:
https://www.theengineer.co.uk/crystal-breakthrough-magnesium-batteries/?cmpid=tenews_6946398&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=B69ABBDE-DA23-4BA2-B8C3-86E1E1A9FA79
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