Коллектив учёных из нескольких учреждений, возглавляемый химиком из Университета Техаса A & M Сарбайджи Банерджи, обнаружил необычный металл-оксидный материал для магниевого аккумулятора.

В настоящее время в области хранения электроэнергии доминирует литий-ионная технология, однако безопасность и в долговременной перспективе поставки лития остаются серьёзными проблемами. Напротив, магний намного распространённее лития, имеет более высокую температуру плавления, не образует дендриты на поверхности электродов при подзарядке и имеет потенциал для обеспечения более чем пятикратного увеличения плотности энергии, если подобрать подходящий катод.

По иронии судьбы, футуристическое решение команды зависело от модифицированной формы старого литий-ионного катодного материала, пятиокиси ванадия(Va2O5), который, как исследователи доказали, способен обратимо поглощать и выделять ионы магния.

Помимо того, что для потребительских применений магний-ионная технология гораздо безопаснее, она привлекательна в основном потому, что каждый ион магния выделяет два электрона на ион — в два раза больше заряда, тогда как каждый ион лития дает только один.

Но, несмотря на все их ощутимые преимущества, магниевые батареи, впервые предложенные в 1990-х годах, оказались слишком хороши, чтобы быть правдой — из-за своей удвоенной валентности магний вдвое сильнее химически связывался с материалами катодов и не желал участвовать в электролитическом обмене.

Учёные существенно переконфигурировали атомы пятиокиси ванадия таким образом, чтобы обеспечить другой путь прохождения ионов магния, тем самым получив жизнеспособный катодный материал.

Это редкое явление достигается путём ограничения расположений ионов магния относительно неудобными атомными позициями в атомной решётке катода, основанной на способе получения пентаоксида ванадия — свойства, известного как метастабильность. Эта метастабильность помогает предотвратить попадание ионов магния в материал и способствует полной отдачи их ёмкости для хранения заряда при незначительной деградации материала после многих циклов перезарядки.

Используя один из самых мощных в мире мягких рентгеновских микроскопов — сканирующий рентгеновский микроскоп и пучки лучей рентгеновского излучения от канадского источника— в тандеме с одним из лучших в мире электронных микроскопов с аберрационно-исправленной передачей изображения, расположенного в Университете штата Иллинойс в Чикаго, учёные смогли наблюдать уникальные электронные свойства их нового материала на пентаоксиде ванадия и непосредственно доказать интеркаляцию ионов магния в материал (в области химии интеркаляция — обратимое включение атомов, молекул или группы молекул между другими атомами, молекулами или группами молекул). В совокупности команда применила свой десятилетний опыт работы в области материаловедения, чтобы объяснить основные причины, по которым этот новый тип пентаоксида ванадия превосходит старый вариант материала катода, а также литий-ионные батареи.

Ноутбуки и сотовые телефоны являются двумя примерами новых технологий, обеспечиваемых быстрой разработкой литий-ионной батареи, которая произвела революцию в энергоёмкости и количества циклов перезарядки по сравнению с предшественниками на основе свинцово-кислотных и никель-гидридных аккумуляторах. Однако, учитывая широкое использование лития не только в портативных электронных устройствах, но и в гораздо более крупных батареях, необходимых для электромобилей и хранения энергии в сетях энергоснабжения, ожидается, что литий в долгосрочной перспективе будет всё более дефицитным. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы представляют собой довольно рискованную вещь, о чём свидетельствуют недавние широко опубликованные отчеты о взрывах или загораниях устройства на основе лития, что является результатом фундаментальной воспламеняемости и реактивности лития.

Таким образом, магниевые батареи с модифицированным материалом на пентаоксиде ванадия в качестве катода могут стать прекрасной заменой предыдущей технологии, обеспечивая почти пятикратное улучшение технико-экономических показателей из-за низкой стоимости, большей ёмкости, долговечности и безопасности.

Статья опубликована в журнале Chem.