Tilbake til søkeresultatene

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek

Novel nanostructured cathodes for Mg-ion batteries

Tildelt: kr 8,8 mill.

Prosjektet starta høsten 2013. Post doc var på plass i midten av oktober og stipendiat startet i desember samme år. SINTEF starta med å gjøre en del teoretiske beregninger på ulike sammensetninger av MgMSiO4 hvor M er et overgangsmetall. Målet var å komme fram til noen få overgangsmetaller som ville gi stabile sammensetninger og kunne benyttes som katodemateriale. Basert på beregningene ble det bestemt å jobbe videre med materialene MgFeSiO4, MgMnSiO4 og MgCoO4. Stipendiaten og post doc'en jobba mye med modifisering av synteseparemetere for å lage disse materialene faserene. Og vi har etter hvert klart å produsere alle tre sammensetningene ved hjelp av flere ulike syntesemetoder (sol-gel, molten salt, flammespraypyrolyse). Da materialene skulle testes i battericeller, var det store problemer med å få batteriene til å fungere. Mye arbeid ble derfor gjort for å undersøke hvor problemet låg. Alle delene av battericellen ble undersøkt, inkludert elektrolytt, anode, separator og strømsamler på katoden. Ved å teste flere ulike elektrolytter og andre kjente materialer (blant andre Mo6S8) fikk vi bekreftet at det ikke er noen problemer med systemet, da disse materialene gav resultater som er sammenlignbare med publiserte data. Etter betydelig litteratursøk og videre undersøkelser av de publiserte artiklene, så har vi funnet grunnlag for å tro at dataene som er publiserte ikke er korrekte. Dette understøttes av det faktum at alle resultater publisert på disse materialene (MgMSiO4), kommer fra en forskningsgruppe. Ingen andre forskningsgrupper har klart å reprodusere lignende resultater. For å overbevise ytterligere, så har SINTEF gjort teoretiske beregninger på energibarriere for transport av Mg i de tre ulike sammensetningene som vi har jobbet med. Dette viser at transport av Mg i disse materialene kun vil være mulig i en dimensjon. Det vil i praksis si at for et multikrystallinsk materiale, så vil transport av Mg være svært treg eller nesten umulig under standard testforhold. Disse resultaten fikk vi publisert i Journal of Power Sources, slik at andre slipper å gjøre sammen feilene. Da vi konstaterte at materialene MgMSiO4 ikke ville fungere, så begynte vi å jobbe med andre materialer, inkludert ulike Mn-oksider (MnO, Mn2O3 og Mn3O4) og karbonkompositter av disse materialene. Det viste seg at Mn3O4 var et materiale som fungerte overraskende bra som katode i Mg-batteri. Vi har også funnet ut at ulike typer grafitt- og grafen-baserte materialer er svært lovende elektrode materialer i Mg-batteri. I tillegg til elektrodematerialene, har vi jobbet mye med å se på ulike typer elektrolytter. Det er samme Mg-salt som er brukt i alle, men vi har testet ut fire ulike løsemidler. Her fant vi også ut at det var store forskjeller i både batteriegenskaper og mekanismene bak disse egenskapene, avhengig av hvilket løsemiddel som ble brukt. Og i stedet for at kapasiteten i batteriet var basert på interkalasjon av Mg i katoden (som er vanlig i Li-batteri), så har vi funnet at det baserer seg i større grad på overflate reaksjoner og pseudo-kapasitans. Dette er helt nye og veldig spennende oppdagelser som kan åpne for en helt nye type Mg-batteri med mye høyere kapasitet og raskere kinetikk enn det som er standard i dag. SINTEF har i tillegg til modellering, jobbet med syntese og karakterisering av V2O5 som katodemateriale i Mg-batteri. Dette er et materiale som er studert mye i Li-batteri, men er nytt i Mg-batterisammenheng. V2O5 er blant annet laget ved bruk av flamme-spraypyrolyse som har gitt materialer med høyt overflateareal. Disse har vist høy initiell kapasitet, men den reversible kapasiteten har vært noe lav. Derimot viser det seg at etter det første irreversible tapet, så er materialene relativt stabile over tid.

Rechargeable Li-ion batteries are already widely used, and the dominating solution for automotive as well as portable, high-power applications due to the superior power density. However, several challenges of Li-ion battery technology are yet to be overco me, e.g. with respect to cost, resource availability, safety issues related to risk of thermal runaway of batteries and the limited temperature window of Li-ion batteries due to electrolyte deterioration at low temperatures. Although expected to dominate the portable battery market in the foreseeable future, the above mentioned drawbacks of Li-based batteries mean they have limited suitability in several markets, including stationary energy storage systems and auxiliary power applications where low cost a nd high reliability under a wide temperature range are more important than low weight and high power density. There is therefore a need for development of new battery types, specifically aimed at low cost markets. Batteries based on magnesium and other divalent metal ions, with the option of transferring two electrons, compared to the one electron transferred in Li-ion batteries, were introduced around year 2000 and are a promising solution for future low cost, high energy density batteries. Still, fund amental research is needed in order to produce high-performance batteries which are also stable and recyclable. In this aspect, an interdisciplinary approach covering modelling, innovative material synthesis routes and advanced experimental characterisati on techniques is a powerful combination which is herein proposed for the development of low cost novel Mg-ion batteries. Such developments will be beneficial for a wide range of applications, mainly stationary, that require use of batteries, such as for s torage of renewable energy from intermittent energy sources (solar, wind and wave), stand-alone power systems, telecommunication base stations, auxiliary power, etc.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Aktivitet:

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek