En metod för utbyte av katjoner för att åstadkomma elektrolyter med hög förformning för batterier med flera metaller

Syntesväg och karakterisering av olika Ca/Mg-solvater. a, Schematisk bild av katjonersättningsmetoden med användning av en zinkorganoborat-solvationsprekursor: Zn-organoboraten syntetiseras först genom reaktion mellan Zn(BH4)2 och alkoholer, varefter Zn2+ ersätts med högre aktiv Ca- eller Mg-metall för att erhålla Ca/Mg-solvater. Färgschema för elektrolytkomponenter: BH4-, lila oval; lösningsmedel, blå oval; målanjon, grön oval. b, BOM-kostnader för olika vägar för kalcium- och magnesiumsolvater och en kommersiell litiumjonbatterielektrolyt (baserat på priset 2023/03). c, Syntes av motsvarande magnesium/kalciumsolvater med olika prekursorer. Kredit: Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-023-01439-w
Syntesväg och karakterisering av olika Ca/Mg-solvater. a, Schematisk bild av katjonersättningsmetoden med användning av en zinkorganoborat-solvationsprekursor: Zn-organoboraten syntetiseras först genom reaktion mellan Zn(BH4)2 och alkoholer, varefter Zn2+ ersätts med högre aktiv Ca- eller Mg-metall för att erhålla Ca/Mg-solvater. Färgschema för elektrolytkomponenter: BH4-, lila oval; lösningsmedel, blå oval; målanjon, grön oval. b, BOM-kostnader för olika vägar för kalcium- och magnesiumsolvater och en kommersiell litiumjonbatterielektrolyt (baserat på priset 2023/03). c, Syntes av motsvarande magnesium/kalciumsolvater med olika prekursorer. Kredit: Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-023-01439-w

I takt med att användningen av el- och hybridfordon ökar i många länder världen över blir det allt viktigare att utveckla säkra och mer högpresterande batteritekniker. Framför allt har ingenjörerna försökt öka batteriernas säkerhet och energikapacitet samtidigt som de säkerställer deras skalbarhet och bromsar deras nedbrytning över tid.

De batteritekniker som skulle kunna tillgodose elektronikindustrins behov omfattar uppladdningsbara multivalenta metallbatterier (dvs. batterier som använder multivalenta joner) baserade på anodmaterial med låg reduktionspotential, t.ex. magnesium (Mg) och kalcium (Ca). Dessa batterier kan uppvisa hög energidensitet om de utvecklas med rätt kombination av anoder, katoder och elektrolyter.

Under de senaste åren har studier identifierat olika kostnadseffektiva anodmaterial för dessa batterier. Många av de föreslagna elektrolyterna är å andra sidan antingen svåra att få tag på eller är beroende av sofistikerade syntesprocesser, vilket gör dem svåra att tillverka i stor skala.

Forskare vid Zhejiang University, ZJU-Hangzhou Global Scientific and Technological Innovation Center och Dalian University of Technology introducerade nyligen en ny, universell metod för att realisera högpresterande och skalbara elektrolyter för multivalenta metallbatterier. Deras föreslagna strategi, som beskrivs i en artikel i Nature Energy, kan bidra till att utveckla reversibla och mer prisvärda elektrolytsystem, vilket kan visa sig vara värdefullt för nästa generations batteriteknik.

”Högpresterande, kostnadseffektiva elektrolytsystem är eftertraktade för multivalenta metallbatterier med hög energidensitet”, skriver Siyuang Li, Jiahui Zhang och deras kollegor i sin artikel.

”Den dyra prekursorn och komplexa syntesprocessen hindrar dock utforskningen av katodelektrod/elektrolytgränssnitt och solvationsstrukturer. Vi utvecklade en universell katjonersättningsmetod för att framställa billiga magnesium- och kalciumelektrolyter med hög reversibilitet som härrör från en zinkorganoborat-solvationsstruktur.”

Metoden som introducerades av detta forskarlag omfattar olika steg. För det första skapade forskarna en kemisk reaktion mellan en prisvärd och lättåtkomlig Zn(BH4)2-prekursor och olika fluoralkoholer, vilket gav anjoner med olika förgrenade kedjor.

Därefter reagerade dessa anionsolvater med billiga metallfolier med en högre metallaktivitet för att producera målsolvationsstrukturer. För att undertrycka den kontinuerliga nedbrytningen av lösningsmedel och upprätthålla stabil battericykling föreslog forskarna bildandet av ett passiveringsskikt baserat på två typer av Ca-solvater.

”Genom att rationellt justera prekursorkedjans längd och graden av F-substitution kan vi finjustera anjonernas deltagande i det primära solvationsskalet”, förklarar forskarna i sin artikel. ”En helt dissocierad Mg-organoboratelektrolyt möjliggör hög strömuthållighet och förbättrad elektrokemisk kinetik, medan Ca-organoboratelektrolyten med stark koordination/B-H-inkludering erbjuder en stabil fastelektrolytinterfas med hög coulombisk effektivitet.”

Forskarna har hittills använt sin metod för att skapa en 53,4 Wh kg-1 högladdningsbatteriprototyp baserad på Mg/S, som innehöll en 30 μm Mg-anod, ett lågt elektrolyt/svavelförhållande (E/S = 5,58 μl mg-1) och en modifierad separator/interlayer. I de inledande testerna uppnådde batteriprototypen lovande resultat, vilket visar att detta tillvägagångssätt är lovande för att skapa gynnsamma och billiga elektrolyter för batterier med flera valenta metaller.

I framtiden kan den metod som introduceras i denna artikel bana väg för skapandet av olika reversibla elektrolytsystem som bygger på mer prisvärda material och enklare bearbetningsstrategier. Dessa elektrolyter skulle kunna användas för att skapa skalbara och säkra multivalenta metallbatterier med högre energidensitet.

Ytterligare information: Siyuan Li et al, Cation replacement method enables high-performance electrolytes for multivalent metal batteries, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-023-01439-w

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.