Neuer superionischer Leiter aus Magnesium für lithiumfreie Festkörperbatterien

Erstmals einen Magnesiumionenleiter auf der Basis eines metallorganischen Gerüsts entwickelt, der selbst bei Raumtemperatur eine superionische Leitfähigkeit aufweist

11.08.2022 - Japan

Die Entwicklung von hocheffizienten Energiespeichern, die erneuerbare Energien speichern können, ist für eine nachhaltige Zukunft von entscheidender Bedeutung. Heutzutage sind wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien (Li+) der Stand der Technik. Lithium ist jedoch ein seltenes Erdmetall, und die Abhängigkeit der Gesellschaft von diesem Element wird wahrscheinlich zu einem raschen Rückgang der Ressourcen und damit zu Preissteigerungen führen.

Batterien auf der Basis von Magnesiumionen (Mg2+) haben als Alternative zu Li+ an Bedeutung gewonnen. Die Erdkruste enthält reichlich Magnesium, und Mg2+-basierte Energiegeräte sollen eine hohe Energiedichte, hohe Sicherheit und niedrige Kosten aufweisen. Die breite Anwendung von Mg2+ wird jedoch durch seine schlechte Leitfähigkeit in Festkörpern bei Raumtemperatur eingeschränkt. Mg2+ hat eine schlechte Leitfähigkeit in Festkörpern, weil zweiwertige positive Ionen (2+) starke Wechselwirkungen mit den benachbarten negativen Ionen in einem festen Kristall eingehen, was ihre Wanderung durch das Material behindert.

Diese Hürde wurde kürzlich von einem Forscherteam der Tokyo University of Science (TUS) überwunden. In ihrer neuen Studie, die am 4. Mai 2022 online und am 18. Mai 2022 in Band 144, Ausgabe 19 des Journal of the American Chemical Society veröffentlicht wurde, berichten sie zum ersten Mal über einen Mg2+-Leiter im festen Zustand mit einer superionischen Leitfähigkeit von 10-3 S cm-1 (dem Schwellenwert für praktische Anwendungen in Festkörperbatterien). Diese Leitfähigkeit ist die höchste, die bisher für Mg2+-Leiter berichtet wurde. Junior Associate Professor Masaaki Sadakiyo von der TUS, der die Studie leitete, erklärte: "In dieser Arbeit haben wir eine Klasse von Materialien genutzt, die als metallorganische Gerüste (MOFs) bezeichnet werden. MOFs haben hochporöse Kristallstrukturen, die den Raum für eine effiziente Migration der enthaltenen Ionen bieten. Hier haben wir zusätzlich ein "Gastmolekül", Acetonitril, in die Poren des MOFs eingebracht, wodurch die Leitfähigkeit von Mg2+ stark beschleunigt werden konnte". Zur Forschungsgruppe gehörten außerdem Yuto Yoshida, ebenfalls von der TUS, Professor Teppei Yamada von der Universität Tokio sowie Assistenzprofessor Takashi Toyao und Professor Ken-ichi Shimizu von der Universität Hokkaido. Die Arbeit wurde am 4. Mai 2022 online gestellt und am 18. Mai 2022 in Band 144 Ausgabe 19 der Zeitschrift veröffentlicht.

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Das Team verwendete ein als MIL-101 bekanntes MOF als Hauptgerüst und kapselte dann Mg2+-Ionen in dessen Nanoporen ein. In dem daraus resultierenden MOF-basierten Elektrolyten war Mg2+ locker gepackt, was die Migration von zweiwertigen Mg2+-Ionen ermöglichte. Um die Ionenleitfähigkeit weiter zu verbessern, setzte das Forschungsteam den Elektrolyten Acetonitril-Dämpfen aus, die von der MOF als Gastmoleküle adsorbiert wurden.

Anschließend unterzog das Team die vorbereiteten Proben einem Wechselstrom-Impedanztest, um die Ionenleitfähigkeit zu messen. Sie fanden heraus, dass der Mg2+-Elektrolyt eine superionische Leitfähigkeit von 1,9 × 10-3 S cm-1 aufwies. Dies ist die höchste jemals gemeldete Leitfähigkeit für einen kristallinen Feststoff, der Mg2+ enthält.

Um den Mechanismus hinter dieser hohen Leitfähigkeit zu verstehen, führten die Forscher infrarotspektroskopische und adsorptionsisotherme Messungen an dem Elektrolyten durch. Die Tests ergaben, dass die im Gerüst adsorbierten Acetonitrilmoleküle eine effiziente Wanderung der Mg2+-Ionen durch den Körper des Festelektrolyten ermöglichen.

Die Ergebnisse dieser Studie zeigen nicht nur, dass der neuartige Mg2+-Leiter auf MOF-Basis ein geeignetes Material für Batterieanwendungen ist, sondern liefern auch wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung künftiger Festkörperbatterien. "Lange Zeithat man geglaubt, dass zweiwertige oder höherwertige Ionen nicht effizient durch einen Festkörper übertragen werden können. In dieser Studie haben wir gezeigt, dass ein Festkörperleiter mit hoher Leitfähigkeit durchaus erforscht werden kann, wenn die Kristallstruktur und die Umgebung gut gestaltet sind", erklärt Dr. Sadakiyo.

Auf die Frage nach den Zukunftsplänen der Forschungsgruppe antwortet er: "Wir hoffen, einen weiteren Beitrag zur Gesellschaft zu leisten, indem wir einen zweiwertigen Leiter mit noch höherer Ionenleitfähigkeit entwickeln."

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