Новый сплав магния и олова увеличил срок службы твердотельных батарей более чем в 400 раз
Исследователи из Университета Тохоку разработали новый сплав магния и олова, который способен кардинально увеличить срок службы твердотельных магниевых батарей. Эта разработка решает одну из главных проблем, препятствующих распространению магниевых аккумуляторов, которые считаются перспективной альтернативой литий-ионным технологиям благодаря своей потенциальной безопасности и более низкой стоимости материалов. Главной трудностью до сих пор были нежелательные реакции на границе раздела компонентов батареи, которые снижали производительность и сокращали срок службы.
Ученые совершили концептуальный прорыв: они выяснили, что эти межфазные реакции не обязательно подавлять. Напротив, при тщательном контроле они могут улучшить движение ионов магния через батарею, сохраняя при этом долговременную стабильность. Команда разработала анод из сплава магния и олова, который сбалансирован по химической реакционной способности и переносу ионов. Изменяя как поверхностную, так и внутреннюю структуру анода, исследователи создали условия для более равномерного осаждения магния и более плавного движения ионов во время зарядки и разрядки.
«Долгое время межфазные реакции считались тем, чего следует избегать, — прокомментировал Хао Ли, профессор Передового института исследований материалов Университета Тохоку. — Но наши результаты показывают, что когда эти реакции тщательно направляются, а не подавляются, они помогают твердотельным магниевым батареям работать гораздо эффективнее».
Для создания улучшенного анода исследователи ввели олово в магний, в результате чего образовалось стабильное соединение Mg2Sn, которое помогает регулировать реакции внутри батареи. Команда протестировала несколько сплавов на основе магния с различными вторичными фазами, чтобы определить оптимальный состав.
Среди всех протестированных материалов оптимизированный сплав магния и олова показал самую высокую общую производительность. По словам исследователей, сплав сохранял стабильную работу более 1300 часов во время испытаний твердотельной батареи. Кроме того, этот материал продемонстрировал более чем 400-кратное увеличение срока циклирования по сравнению с чистым магнием, что предполагает существенное увеличение долговечности батарей.
Твердотельные батареи заменяют легковоспламеняющиеся жидкие электролиты твердыми материалами, снижая риск возгорания и потенциально увеличивая плотность энергии. Однако твердотельные границы раздела внутри этих батарей часто создают сопротивление, нестабильность и механическую деградацию.
Исследователи утверждают, что будущее разработки батарей должно быть сосредоточено не только на улучшении ионной проводимости, но и на контроле химических реакций на этих границах. Их выводы предполагают, что одновременное балансирование реакционной способности и переноса ионов может обеспечить новую стратегию проектирования для твердотельных аккумуляторных систем.
Этот подход может иметь значение и за пределами магниевых батарей: аналогичные инженерные методы потенциально могут быть применены к другим химическим составам аккумуляторов следующего поколения, где стабильность границы раздела остается критической проблемой. По мере роста спроса на более безопасные и долговечные системы хранения энергии эта работа предлагает новый способ мышления в дизайне батарей, позволяя использовать межфазные реакции для улучшения производительности и продления срока службы.
Исследование в журнале ACS Energy Letters.