Учёные изучают подходящий состав электролита и процесс в магниевых аккумуляторах

Группа исследователей под руководством профессора кафедры химической и биомолекулярной инженерии Университета Нотр-Дам Дженнифер Л. Шефер (Jennifer L. Schaefer) проанализировала работу твёрдых полимерных электролитов, способных проводить ионы магния, в двух отдельных аккумуляторных системах. Шефер считает, что для дальнейшей электрификации транспорта и развития систем накопления энергии для возобновляемых источников, требуется усовершенствование аккумуляторов. И здесь, по её мнению, нужно обращать внимание не только на литий-ионные аккумуляторные системы, но и рассматривать другие варианты.

Аккумуляторы литий-ионного типа состоят из двух электродов (катод и анод). В их составе также предусмотрен электролит. Как правило, это соль, растворенная в жидкости или геле. При подаче заряда на электроды происходит электрохимическая реакция, в результате которой атомарные ионы и электроны перемещаются между электродами. При разряде они перемещаются в одном направлении, а при разряде – в противоположном.

Как говорит Шефер, магниево-металлические батареи с нежидкими электролитами ещё недостаточно изучены. В этих системах есть серьёзные проблемы с переносом ионов и межфазным химическим взаимодействием. Исследователи считают, что металлические магниевые батареи с жидкими электролитами имеют хороший потенциал для развития, но страдают от тех же проблем, что и современные Li-Ion батареи. Речь идёт о возможной утечке, лёгкой воспламеняемости, коррозии.

Твёрдые полимерные электролиты имеют лучшие перспективы за счёт более высокой высокой термической, механической и электрохимической стабильности по сравнению с жидкими электролитами. Помимо этого, они имеют более низкую стоимость и меньшую плотность по сравнению с неорганическими твердотельными электролитами, говорит Шефер. Твёрдые полимерные электролиты для литий-ионных аккумуляторов на данный момент уже хорошо исследованы. А вот данных о твердотельных электролитах для систем с магниевыми анодами пока недостаточно.

Исследователи сообщают, что пока нет достаточного понимания того, как ионы взаимодействуют и переносятся между электродами в магниевых аккумуляторах. Команда под руководством Шефер проанализировала, как электролиты из магниевого полимера (соль на основе магния в полимере, известной как PCL-PTMC) работают по сравнению со стандартным полиэфирным электролитом. Оба электролита они исследовали при контакте с анодами из металлического магния. Ионный состав изучался с помощью методов спектроскопии. По результатам исследования, учёные установили, что ионы магния в PCL-PTMC существуют в виде ионных комплексов, связанных с другими ионами, а не в виде свободных ионов магния.

О солях лития сообщается, что у них взаимодействие между положительно заряженными ионами и полимерной цепью в PCL-PTMC было слабее, чем для других полимеров. Слабое взаимодействие может улучшить проводимость положительно заряженных ионов, отмечает Шефер. Но при этом поляризация ячеек, содержащих электролит магниевого PCL-PTMC, приводит к образованию высокодисперсных отложений. Исследователи предположили, что комплексы магния, идентифицированные с помощью спектроскопии, разлагаются на электродах после того, как они не приняли участие в проводимости. Это мешает дальнейшему взаимодействию электродов.

В дальнейшем команда учёных планирует изучить другие соли, а также другие поверхности раздела электролитов. Это необходимо для защиты магниевого электрода от нежелательных химических отложений. Шефер говорит, что дальнейшие усилия будут сосредоточены на решении проблем на границе раздела фаз и количественной оценке магниевой проводимости.