Advanced Materials for Magnesium-Ion Rechargeable Batteries (ADMIRE)

Miljømessige hensyn og ønsket om å sikre fremtidig energibehov øker interessen for fornybare energiressurser som sol, vind, etc. Batterier, som har mulighet til å lagre og transportere energi laget fra fornybare kilder, blir sett på som en viktig del av dette økosystemet. Batterier består hovedsakelig av tre forskjellige enheter; positiv & negativ elektrode og elektrolytt. Ioner transporteres fra den negative elektroden gjennom elektrolytten til den positive elektroden ved utlading av batteriet samtidig som elektronene passerer i en ytre krets. Det motsatte skjer under opplading av batteriet. For at disse prosessene skal gå så lett som mulig, er det viktig at katodematerialet har mulighet til å ta opp så mange kationer (positivt ladede ioner) som mulig under utlading, men det er også viktig at disse kationene kommer seg lett ut av strukturen igjen under opplading. Elektrolytten spiller også en viktig rolle i batterisystemet. Den skal lede kationer så raskt som mulig fra den positive elektroden til den negative elektroden. I ADMIRE-prosjektet vi siktet til å undersøke magnesiums elektrokjemiske egenskaper siden magnesium er lett tilgjengelig, har høy stabilitet og er sikker i bruk. Hittil har vi utviklet potensielt nye elektrolytter basert på ioniske væsker som er iboende sikre i bruk. Disse nye ioniske væskene klarer å transportere magnesiumioner mellom elektrodene under utlading og lading i mange sykler. Mange katodematerialer basert på V2O5, slik som V2O5-P2O5, V2O5-B2O3 og V2O5-TeO2, ble studert, men de presterte ikke under sykling. Andre metoder, slik som innblanding av grafen eller andre systemer som VOPO4, ga heller ikke de ønskede egenskapene. Mo6S8 er derfor fremdeles det eneste stabile materialet som har de egenskapene som kreves for flere lading-utlading sykler. Noen av funnene angående elektrolytter er allerede publisert, og nyere funn holder på å bli skrevet som vitenskapelige artikler og vil bli publisert i de nærmeste månedene.

The project aimed at developing electrolyte and cathode materials for rechargeable magnesium ion batteries. We have achieved the following on the cathode:1. Developed different V2O5-glass amorphous materials (V2O5-SiO2, V2O5-P2O5, etc) 2. Investigations found that these materials are not suitable for Mg intercalation 3. Found that the already known Mo6S8 is still the only working cathode material investigated in this project We have achieved the following on the electrolyte:1. Ionic liquid systems based on EMIM with different Mg salts such as MgCl2, Mg(BH4)2, Mg(HMDS)2, Mg(TFSI)2 showed reversible Mg deposition and stripping 2. IL system with EMIM-magnesium bis(isopropyl) amide is found to be the best one with the battery showing more than 300 cycles 3. Ration between THF and DME is found to affect the cell performance when using APC-type electrolyte Breakthroughs in cathode materials should happen to realize a practical rechargeable Mg battery in the future.

The primary objective of ADMIRE is to develop advanced rechargeable magnesium-ion batteries with high energy density, better durability and safe operation for future stationary, transport and grid storage applications. Magnesium metal as anode electrode for batteries is very attractive as it is the fifth most abundant material in earth (low cost), it can pack more energy per unit volume than lithium and it is very safe during operation. Nevertheless, due to the ability of magnesium to form a insulation layer when it comes to contact with oxygen and aqueous solvents, it is difficult to recharge these batteries repeatedly using the current electrolyte systems. Also, to make magnesium-ion batteries commercially viable it is necessary to make these batteries less heavy by developing advanced materials for cathode with high operating voltages. In ADMIRE, we propose to develop a new category of cathode materials that can facilitate insertion and extraction of magnesium at high potentials by developing novel amorphous vanadium oxides. In addition, we also propose to develop new electrolyte systems based on ionic liquids which is compatible with anode to have more charge/discharge cycles and cathode to accommodate high performance cathodes with wider voltage limit. The advantage of having amorphous materials is that they increase the kinetics of heavy magnesium in the cathode at high voltages resulting in high charge/discharge capacity at high current rates. On the other hand, ionic liquids with their structured tuned as explained in the application and inherent safety will be developed to improve the magnesium plating/stripping at the anode and to provide a platform for high voltage cathodes by being stable and electrochemically active. If successful, this project will motivate industries (both battery and materials) to look at this technology for future energy market.