マグネシウム硫黄電池

マグネシウム-硫黄電池は、マグネシウムイオンを電荷キャリア、マグネシウム金属を陽極、硫黄を陰極として用いる充電式電池です。陰極の電子伝導性を高めるため、硫黄は通常、炭素と混合して陰極複合体を形成します。マグネシウム-硫黄電池は新興のエネルギー貯蔵技術であり、現在も研究段階にあります。[いつ？ ]理論上、Mg/Sの化学組成は電圧約1.7 Vで1722 Wh/kgのエネルギー密度を実現できるため、非常に注目されています。 [要出典]

マグネシウムは豊富に存在し、無毒で、空気中で分解しません。最も重要なのは、マグネシウムは堆積/剥離プロセス中にデンドライトを形成しないことです。デンドライトは、リチウムイオン電池や充電式リチウム電池の安全性の問題の主な原因と考えられています。Mg-S電池に関する最初のレビューがMRS Communicationsに掲載されました[1]。

研究

トヨタ

2011年にトヨタ自動車はこの分野での研究プロジェクトを発表し、[2]同年、硫黄と化学的に適合する新しい電解質を報告した。[3] この電解質は、ハウザー塩基(HMDS)MgCl（HMDS =ヘキサメチルジシラジド） [4 ]とAlCl 3からルイス酸塩基錯体として調製され、概念的には2001年のAurbachの二核電解質錯体[6] に類似している。錯体は 再結晶化によって精製する必要があり、溶媒としてTHFしか使用できなかったが、2サイクルで1Vの放電電圧が得られ、原理的な実現可能性が実証された。

現在、アップル、トヨタ、ペリオンテクノロジーズ[7]、およびいくつかの大学で、充電式マグネシウム電池の研究が進められています。

ヘルムホルツ研究所ウルムとKIT

2013年、研究者たちは新しい電解質とそれを用いたマグネシウムベースの電池を発表しました。[8]この電解質はより安定しており、様々な溶媒や高濃度でも良好に機能します。硫黄系正極の支持材料として機能します。市販の2つの化学物質、マグネシウムアミドと塩化アルミニウムを溶媒に混合することで、この生成物をそのまま電解質として使用することができます。[9] [10]

2015年には、グラフェン-硫黄ナノ複合正極、マグネシウム-炭素複合負極、そしてテトラグリム溶媒中の非求核性マグネシウム系錯体を電解質として用いたマグネシウム二次電池が発表された。グラフェン-硫黄ナノ複合材料は、熱沈殿法と化学沈殿法の組み合わせによって作製された。このMg/Sセルは、50サイクル後に448 mA hg -1および236 mA hg -1の電流を供給した。高表面積、多孔質構造、酸素官能基を有するグラフェン-硫黄複合正極と、非求核性マグネシウム電解質の組み合わせにより、性能が向上した。[11]

最近、硫黄と互換性があり塩素を含まない新しいクラスの電解質が導入されました。[12]これは、大きな陰イオン（フッ素化アルコキシボレート）と弱く配位したマグネシウム塩に基づいており、簡単な反応で調製でき、その場で使用できます。

メリーランド大学

2015年、メリーランド大学の研究チームは、Liイオン添加剤がMg/S電池の電気化学反応の可逆性を高めることを発見しました。Mg/Sセルは、1.75Vと1.0Vの2つの放電プラトーにおいて、30サイクルで約1000mAh/gの容量を発揮しました。[13]このセルの材料レベルで得られるエネルギー密度は874Wh/kgで、理論値の約半分です。

2017年、同研究チームは、Mg/S電池のサイクル安定性を110サイクルまで向上させることに成功しました。これは、Mg/S電池における活物質の損失と容量低下の主な原因であるポリサルファイドの溶解を高濃度電解液で抑制することで実現しました。また、MgTFSI2-MgCl 2 -DME電解液が硫黄正極と適合することを実証しました。ルイス酸塩基反応で作製される複雑な電解液や、大きな陰イオンを含むMg塩を用いた電解液とは異なり、この電解液は乾燥したMgTFSI2、MgCl 2をDMEと混合するだけで簡単に作製できます。この簡便な合成手順により、この電解液はMg/S化学のさらなる研究のための便利なプラットフォームとなります。[14]

参考文献

  1. ^ Zhao-Karger, Zhirong; Fichtner, Maximilian (2017年9月). 「マグネシウム–硫黄電池：その始まりと最近の進歩」. MRS Communications . 7 (4): 770– 784. doi :10.1557/mrc.2017.101. ISSN  2159-6859. S2CID  49309970.
  2. ^ フレッチャー、セス（2011年1月18日）「トヨタの新型マグネシウムバッテリーの真実」『ポピュラーサイエンス』2015年4月9日閲覧。
  3. ^ Kim, Hee Soo; Arthur, Timothy S.; Allred, Gary D.; Zajicek, Jaroslav; Newman, John G.; Rodnyansky, Alexander E.; Oliver, Allen G.; Boggess, William C.; Muldoon, John (2011-08-09). 「マグネシウム電解質と硫黄カソードの構造および適合性」. Nature Communications . 2 : 427. Bibcode :2011NatCo...2..427K. doi :10.1038/ncomms1435. ISSN  2041-1723. PMC 3266610. PMID 21829189  . 
  4. ^ 王 ペイウェン; ブックマイザー マイケル R. (2019年9月6日). 「充電式マグネシウム–硫黄電池技術：最新技術と主要課題」.先端機能材料誌29 (49). Wiley. doi : 10.1002/adfm.201905248 . S2CID  202886015.
  5. ^ Liebenow, C; Yang, Z; Lobitz, P (2000-09-01). 「有機マグネシウムハロゲン化物、アミドマグネシウムハロゲン化物、およびマグネシウム有機ホウ酸塩溶液を用いたマグネシウムの電着」. Electrochemistry Communications . 2 (9): 641– 645. doi :10.1016/S1388-2481(00)00094-1.
  6. ^ Aurbach, Doron; Gizbar, Haim; Schechter, Alex; Chusid, Orit; Gottlieb, Hugo E.; Gofer, Yossi; Goldberg, Israel (2002-02-01). 「有機マグネシウムクロロアルミネート錯体に基づく充電式マグネシウム電池用電解液」. Journal of the Electrochemical Society . 149 (2): A115 – A121 . Bibcode :2002JElS..149A.115A. doi : 10.1149/1.1429925 . ISSN  0013-4651.
  7. ^ Jaffe, Sam (2014年4月10日). 「次世代バッテリー：問題と解決策」 . 2015年4月9日閲覧。
  8. ^ Zhao-Karger, Zhirong; Zhao, Xiangyu; Fuhr, Olaf; Fichtner, Maximilian (2013-08-28). 「充電式マグネシウム電池用ビスアミド系非求核性電解質」. RSC Advances . 3 (37): 16330. Bibcode :2013RSCAd...316330Z. doi :10.1039/C3RA43206H. ISSN  2046-2069.
  9. ^ Zhao-Karger, Zhirong; Zhao, Xiangyu; Wang, Di; Diemant, Thomas; Behm, R. Jürgen; Fichtner, Maximilian (2015-02-01). 「改良非求核性電解質を用いたマグネシウム硫黄電池の性能向上」. Advanced Energy Materials . 5 (3): n/a. Bibcode :2015AdEnM...501155Z. doi :10.1002/aenm.201401155. ISSN  1614-6840. S2CID  96659406.
  10. ^ Mack, Eric (2014年11月30日). 「より安価で毒性の低いマグネシウム・硫黄系電池を実現する新たな電解質」 . 2015年4月9日閲覧。
  11. ^ Vinayan, BP; Zhao-Karger, Zhirong; Diemant, Thomas; Chakravadhanula, Venkata Sai Kiran; Schwarzburger, Nele I.; Cambaz, Musa Ali; Behm, R. Jürgen; Kübel, Christian; Fichtner, Maximilian (2016-02-05). 「グラフェンベース硫黄複合カソード電極と非求核性マグネシウム電解質を用いたマグネシウム–硫黄電池の性能研究」. Nanoscale . 8 (6): 3296– 3306. Bibcode :2016Nanos...8.3296V. doi : 10.1039/c5nr04383b . PMID  26542750.
  12. ^ Zhao-Karger, Zhirong; Bardaji, Maria Elisa Gil; Fuhr, Olaf; Fichtner, Maximilian (2017-06-06). 「マグネシウム二次電池用非腐食性・高効率電解質の新クラス」Journal of Materials Chemistry A . 5 (22): 10815– 10820. doi :10.1039/C7TA02237A. ISSN  2050-7496.
  13. ^ Gao, Tao; Noked, Malachi; Pearse, Alex J; Gillette, Eleanor; Fan, Xiulin; Zhu, Yujie; Luo, Chao; Suo, Liumin; Schroeder, Marshall A (2015-09-30). 「Li+媒介によるMg/S電池化学の可逆性向上」. Journal of the American Chemical Society . 137 (38): 12388– 12393. Bibcode :2015JAChS.13712388G. doi :10.1021/jacs.5b07820. ISSN  0002-7863. PMID  26360783.
  14. ^ Gao, Tao; Hou, Singyuk; Wang, Fei; Ma, Zhaohui; Li, Xiaogang; Xu, Kang; Wang, Chunsheng (2017). 「充電式Mg/S電池用MgTFSI2/MgCl 2 /DME電解質における可逆的なS0/MgSx酸化還元化学」. Angewandte Chemie International Edition . 56 (43): 13526– 13530. doi :10.1002/anie.201708241. ISSN  1521-3773. OSTI  1393995. PMID  28849616.
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