de.wedoany.com-Bericht: Das Team um Professor Pan Feng von der Fakultät für Neue Materialien der Shenzhen Graduate School der Universität Peking hat gemeinsam mit Kooperationspartnern eine Strategie der „Dehnungsdelokalisierung" vorgeschlagen, eine hochsichere und langlebige wässrige Magnesium-Ionen-Energiespeicherbatterie entwickelt und 75.000 Zyklen erreicht. Das Team führte Tantal-Dotierung in Molybdäntrioxid-Nanoröhren-Arrays ein und stellte das Elektrodenmaterial Molybdän-Tantal-Oxid (MoTaOx) her. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden kürzlich im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.
Wässrige Batterien verwenden einen wasserbasierten Elektrolyten und besitzen inhärente Flammschutzeigenschaften; sie sind eine breit erforschte technologische Richtung im Bereich der sicheren Energiespeicherung. Traditionelle wässrige Batterien, repräsentiert durch Blei-Säure- und Nickel-Metallhydrid-Systeme, werden bereits in Autostart- und zivilen Anwendungen eingesetzt, weisen jedoch eine äußerst geringe Energiedichte auf. Unter den neuartigen wässrigen Energiespeichersystemen besitzen wässrige Magnesium-Ionen-Batterien aufgrund der hohen Häufigkeit von Magnesium in der Erdkruste, der geringen Kosten und des kleinen Ionenradius das Potenzial, unter Beibehaltung der Gitterstabilität Systeme mit hoher volumetrischer Energiedichte aufzubauen. Der Kommerzialisierungsprozess wird jedoch seit langem durch schwerwiegende Zyklusdegradation und eine weit unter dem theoretischen Wert liegende tatsächliche Energiedichte behindert. Obwohl verschiedene Kathodenmaterialien erforscht wurden, bleibt die Linderung der durch Ioneneinlagerung verursachten Dehnungsakkumulation und die Erzielung einer langen Lebensdauer eine Herausforderung auf diesem Gebiet.
Das Forschungsteam stellte fest, dass die Dotierung mit Tantalatomen Sauerstoffleerstellen in der Nähe der terminalen Sauerstoffpositionen einführt. Die Sauerstoffleerstellen können interkalierte Wassermoleküle adsorbieren und dissoziieren, wodurch Tantalhydroxylgruppen über Wasserstoffbrückenbindungen Komplexe mit Wassermolekülen bilden und die kinetische Energiebarriere für die Diffusion hydratisierter Magnesiumionen senken. Gleichzeitig können die geordnete Anordnung und Dissoziation der interkalierten Wassermoleküle die durch die Kointerkalation hydratisierter Magnesiumionen verursachte Schichtaufweitung und innere Dehnung lindern. Die oben genannten Mechanismen bilden die Grundlage der Energiespeicherung der MoTaOx-Elektrode.
Dank der optimierten Ionentransportkanäle und der effektiven Dehnungsdelokalisierungsfähigkeit zeigt die MoTaOx-Elektrode bei einer Stromdichte von 0,15 Ampere pro Gramm eine Kapazität von 300 Milliamperestunden pro Gramm und behält nach 75.000 Zyklen eine hohe elektrochemische Stabilität bei, mit einer kumulierten Kapazität von 7,2 Kiloamperestunden pro Gramm – weit übertreffend die derzeit besten berichteten Werte. Das gemeinsame Team montierte außerdem vollständig wässrige Magnesium-Ionen-Pouch-Zellen und integrierte Magnesium-Ionen-Mikrobatterien, um das Potenzial dieses Materials für praktische Anwendungen zu verifizieren.
Diese Forschung liefert ein Kathodenmaterial mit hoher Kapazität und extrem langer Zykluslebensdauer und erläutert auf mechanistischer Ebene den Weg zur Erzielung einer Dehnungsdelokalisierung bei Ioneneinlagerung durch Abstimmung der lokalen Koordinationsumgebung. Sie bietet theoretische und praktische Unterstützung für das Design der nächsten Generation wässriger Batterien, die hohe Energiedichte mit langer Zykluslebensdauer kombinieren.
