Raziskava reakcijskih in transportnih mehanizmov za kovinsko magnezijevo akumulatorsko anodo

Zaradi vse večjih svetovnih potreb po energiji se povečuje pritisk na okolje in spodbuja elektrokemijsko področje znanosti za raziskave in razvoj novih, zanesljivih in zmogljivih virov energije. Med temi so akumulatorji na osnovi kovinskih anod vodilna alternativa, saj bi lahko prinesle preboj v smislu razpoložljive gostote energije. V najbolj preučevanih akumulatorskih sistemih s kovinsko anodo se kot anoda uporablja kovinski litij, ki ima težave z razpoložljivostjo, trajnostjo in varnostjo. Alternativne, dvovalentne kovinske anode imajo boljšo trajnost in obljubljajo dvakratno povečanje prostorninske gostote energije. Primer takšne večvalentne kovinske anode je magnezij, ki ga je veliko, ima nizek redukcijski potencial in je manj nagnjen k nastajanju dendritov kot litij. Zato je obetaven za razvoj prihodnjih visokoenergijskih akumulatorskih celic. Glavna težava, ki zavira nadaljnji razvoj magnezijevih akumulatorjev, je nizka učinkovitost odlaganja/jedkanja na anodi. To je neposredno povezano z razumevanjem transporta elektroaktivnih zvrsti v elektrolitu, prisotnostjo pasivacijskih plasti in mehanizmom reakcij prenosa naboja, kar so vprašanja, ki še niso bila sistematično preučena. Namen tega projekta je zagotoviti ključne informacije za pomembne raziskovalne izzive, kot so razumevanje prisotnosti pasivne plasti, njene rasti in kinetike na magnezijevi kovinski anodi ter določitev procesov ozkega grla ter omejujočih parametrov pri delovanju Mg anode. To bo doseženo z dvema pomembnima korakoma. Prvič, rast pasivne plasti bomo opredelili z meritvami impedančnih spektrov simetričnih Mg kovinskih celic pri OCV. Parametri celic, kot so vrsta elektrolita, koncentracija elektrolita in debelina separatorja se bodo sistematično spreminjali, da se ugotovi njihov vpliv. Morfologija tvorbe pasivne plasti bo ocenjena z mikroskopskimi orodji, medtem ko bodo spektroskopske meritve uporabljene za določitev njene kemijske sestave. Drugič, razvite in optimizirane bodo operando dinamične impedančne meritve, s katerimi bomo preučili procese, ki potekajo med delovanjem magnezijeve kovinske anode. Podobno kot pri elektrodah, pri katerih so bile opravljene meritve EIS@OCV, se bodo spreminjali parametri celic in analizirale elektrode po delovanju. Informacije bodo uporabljene za predlaganje mehanizma delovanja magnezijeve kovinske anode, ki opisuje medfazne in transportne procese, ki se odvijajo. Na podlagi tega mehanizma bo izdelan fizikalno zasnovan model impedančnih spektrov, ki bo uporabljen za simulacijo in prilagajanje izmerjenih podatkov EIS, s čimer bo model potrjen. Tovrstni nov pristop na elektrokemijskem znanstvenem področju smo razvili v našem laboratoriju in omogoča določitev omejujočih parametrov. Ker so vsi parametri v tovrstnih impedančnih modelih neposredno povezani s fizikalno-kemijskimi lastnostmi v celici, je mogoče iz prilagojenih spektrov izluščiti dragocene parametre sistema (hitrost reakcije, transportne lastnosti itd.), kar zagotavlja pomembne transdisciplinarne informacije.