High-capacity 2D layered materials for Mg-ion batteries

Prosjektets opprinnelige hovedmål var å utvikle et nytt katodemateriale til anvendelse i oppladbare Mg-batterier. Oppladbare batterier basert på utveksling av Mg-ioner har potensiale for høy energitetthet basert på billige, lett tilgjengelige og bærekraftige materialer. Av denne grunn kan de bli et viktig alternativ til dagens teknologi basert på Li-ione batterier, både innen transport og stasjonære anvendelser. I dette prosjektet har vi valgt å ta utgangspunkt i katodematerialer som er basert på todimensjonale MXener, disse sammensetningene har sin opprinnelse i lagdelte MAX-faser. MAX-fasene er karbider og nitrider av overgangsmetaller, hvor M representerer et overgangsmetall, A er som regel aluminium, og X er karbon og/eller nitrogen. Ved å selektivt fjerne A-elementet fra strukturen, dannes det atomære flak av MX-komponentene som igjen gir åpne passasjer hvor ulike ioner kan bevege seg både ut og inn (såkalt interkalering). Det er mange ulike elementer som kan benyttes på M-plassen i strukturen, og basert på litteratur har vi i dette prosjektet valgt å fokusere på Ti og V, tilsvarende MAX-fase støkiometriene Ti3AlC2 og V2AlC. Al ble i disse støkiometriene fjernet ved å etse i flussyre (HF) og det ble dokumentert dannelse av MXene-støkiometriene Ti3C2Tx og V2CTx, hvor T symboliserer overflateterminering. Det ble påvist at overflatetermineringen var dominert av fluor. Simuleringer (DFT beregninger) viste at det var nødvendig å skifte ut fluor med oksygen terminering for å oppnå en betydelig økning av reversibel kapasitet for Mg interkalering. Basert på en vurdering av mulige reaksjonsprodukter kombinert med termodynamiske simuleringer, ble gasshydrolyse vurdert å være en egnet metode. Hydrolyse eksperimentene viste at det var mulig å redusere F-termineringen mellom 70 og 80 % for V2CTx og Ti3C2Tx, hvilket er noe av det beste som er målt for tilsvarende materialer. Metoden har potensiale som generell metode for endring og kontroll av terminering i MXener. Elektrokjemisk testing av hydrolyserte katoder viste en økning i kapasiteten for utveksling av Li-ioner, men for utveksling av Mg-ioner var kapasiteten fremdeles moderat. Prosjektet konkluderer med at hydrolyserte MXener basert på V2CTx er et potensielt materiale for anvendelse som katoder i oppladbare batterier basert på magnesium, men at en mer presis kontroll av type terminering er nødvendig.

Virkninger: Prosjektets deltagere: En generell økt forståelse av hvilke muligheter et nytt materialsystem (MXener) kan tilføre utviklingen innen batteriteknologi. Spesielt har prosjektet vist at DFT beregninger er et meget nyttig verktøy knyttet til utvikling av materialer med nye egenskaper. Økt kompetanse i beregningsmetoder med særlig vekt på hvilken betydning fononer, defekter og dopanter har for ionemobilitet i faste stoffer. Den tette kontakten mellom SINTEF og NTNU gjennom hele prosjektperioden har styrket kompetansen hos begge parter og vil realisere framtidige samarbeidsprosjekter knyttet til utvikling av batteriteknologi. Målgruppe, brukere: Identifisering av nye og bærekraftige materialer som kan benyttes som elektroder (MXener) og faststoff elektrolytter (LiSiNO) i oppladbare batterier. Resultatene viser viktigheten av å kontrollere kjemisk sammensetning særlig knyttet til terminering og demonstrerer metoder får å oppnå dette. Effekter: Gjennom formidling og publikasjoner er det framkommet forslag til endring av de eksisterende batteriteknologier, men at ytterligere utviklingsarbeid er nødvendig. På lengre sikt kan dette fremme utviklingen av nye batteriteknologier som dreier seg mot anvendelse av billigere og mer bærekraftige materialer. Konkret er det foreslått at Mg-ion batterier kan realiseres, men at dette krever ytterligere raffinering av de metoder som ble utviklet i prosjektet. En slik endring i batteriteknologi vil få stor samfunnsmessig betydning og potensielt bli en hjørnesten i realiseringen av det grønne skiftet.

This project will focus on developing Mg-ion batteries as an alternative to Li-ion battery technology. And the main aim is to investigate and develop a new family of cathode materials based on MXenes, which can outperform current state of the art cathodes. These materials are two-dimensional transition metal carbides that are able to reversibly host a variety of intercalation ions. The proposed project will take on an interdisciplinary approach covering DFT modelling, innovative material synthesis routes and advanced experimental characterization techniques, which provides a powerful combination of tools for the development of new and low cost Mg-ion batteries. The MXenes have through modelling been suggested as promising new candidates as electrodes in Li-ion as well as Mg-ion batteries. There are a few very recent studies on using Nb4C3 and Ti2C as anodes in Li-ion batteries. Due to their relatively low potential vs Li the MXenes are more suitable as anode material in Li-ion batteries. However, in Mg-ion batteries where the anode is pure Mg metal or a Mg alloy, the MXenes are potential candidates as cathodes. In this project we will syntesize a selection of compositions based on materials with the general formula M2C, where M = Zr, Nb, Sc, Ti, V or Cr or a combination of two of these elements. The three compositions Zr2C, Ti2C and Nb2C will be the starting point due to easy availability of precursors and higher abundance than i.e. Mo. DFT calculations will be used to assess the structural and thermodynamic stability of bulk materials as well as calculating point defect energetics and surface relaxation. Extensive experimental studies on materials and electrochemical properties will be performed. A combination of in operando, in situ, ex situ and post mortem characterization techniques and DFT modelling will be used to characterize and understand charge/discharge and degradation mechanisms upon electrochemical cycling.