基於鎂而不是鋰的充電電池有可能通過將更多的能量包裝到更小的電池中來延長電動車輛的範圍。但不可預見的化學障礙已經放緩了科學進步。
而固體與液體相連的地方 - 電荷充電電池與被稱為電解質的周圍化學混合物相互作用 - 是已知的問題點。
現在，美國能源部能源儲存研究聯合中心的一個研究小組由勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的科學家率領，發現了一系列令人驚奇的化學反應，包括鎂，即使在電池可用之前也會降低電池性能被起訴
這些發現可能與其他電池材料相關，並且可以將下一代電池的設計引向避免這些新發現的陷阱的解決方案。
該團隊使用X射線實驗，理論建模和超級計算機模擬，以充分了解電極表面幾十納米內發生的電解液的化學分解，降低電池性能。他們的研究結果發表在“化學化學”雜誌上。
他們測試的電池以鎂金屬為負極（陽極）與由液體（一種稱為二甘醇二甲醚的溶劑）和溶解鹽Mg（TFSI）2組成的電解液接觸。
儘管他們使用的材料的組合被認為在電池的靜止狀態下是兼容的和非反應性的，但是在伯克利實驗室的高級光源（ALS），稱為同步加速器的X射線源的實驗發現，情況並非如此，並引導在新的方向學習。
“人們認為這些材料的問題發生在電池充電期間，而實驗表明已經有一些活動，”指導分子鑄造廠的納米結構材料設備理論的大衛·普倫德加斯特（David Prendergast）表示，學習領導。
“那時候，這很有趣，”他說。 “在這些條件下應該是穩定的物質之間可能會引起這些反應？”
分子鑄造研究人員開發了電極和電解質相交點的詳細模擬，稱為界面，表明在理想條件下也不會發生自發化學反應。然而，模擬沒有考慮到所有的化學細節。
“在我們調查之前，”ALS科學家Ethan Crumlin說，他協調了X射線實驗，並與Prendergast共同領導了這項研究，“有人懷疑這些材料的行為以及與電池性能差的可能聯繫，但是他們在工作電池中沒有得到確認。“
眾多便攜式電子設備（如手機，筆記本電腦，電動工具）和越來越多的電動車輛的鋰離子電池的鋰離子電池 - 鋰離子 - 鋰離子電池 - 通過脫落電子回收而被充電的鋰離子電池在兩個電池電極之間。這些電極材料在原子尺度上是多孔的，並且當電池被充電或放電時，它們交替地裝載或排空鋰離子。
在這種類型的電池中，負極通常由碳組成，其比其它材料具有更有限的儲存這些鋰離子的能力。
因此，通過使用其他材料來增加儲存的鋰的密度將使更輕，更小，更強大的電池。例如，在電極中使用鋰金屬可以在相同的空間內包裝更多的鋰離子，儘管它是暴露於空氣中時燃燒的高反應性物質，並且需要進一步研究如何最佳地包裝和保護它，長期穩定。
鎂金屬具有比鋰金屬更高的能量密度，這意味著如果使用鎂而不是鋰，則可以將更多的能量存儲在相同尺寸的電池中。
鎂也比鋰更穩定。其表面與空氣中的水分和氧氣反應形成自我保護的“氧化”層。但是在電池中，這種氧化層被認為可以降低效率並縮短電池壽命，所以研究人員正在尋找避免其形成的方法。
為了更詳細地探索這一層的形成，該團隊採用了最近在ALS開發的獨特的X射線技術，稱為APXPS（環境壓力X射線光電子能譜）。這種新技術對於在固體和液體界面處發生的化學物質敏感，這使得它成為探索電極表面的電池化學性質的理想工具，其中它與液體電解質相遇。
即使在將電流供給到測試電池之前，X射線結果也顯示電解質的化學分解的跡象，特別是在鎂電極的界面處。研究結果迫使研究人員重新思考這些材料的分子尺度圖像以及它們的相互作用。
他們所確定的是，在鎂上形成的自穩定，薄的氧化物表面層具有驅動不需要的反應的缺陷和雜質。
“這不是金屬本身，或其氧化物，這是一個問題，”普倫德加斯特說。 “事實上，你可以在氧化的表面上存在缺陷，這些小的差異成為反應的場所，它以這種方式進入。
提出氧化鎂表面可能的缺陷的另外一輪模擬表明，陽極的氧化表面層中的缺陷可以暴露鎂離子，然後鎂離子充當電解質分子的陷阱。
如果自由浮動的氫氧根離子 - 含有與氫原子結合的單個氧原子的分子可以形成為微量的水與鎂金屬反應 - 滿足這些表面結合的分子，它們將反應。
這會浪費電解液，隨著時間的推移使電池乾燥。而這些反應的產物會污染陽極的表面，損害了電池的功能。
在團隊的實驗和理論成員之間來回進行了幾次迭代，以開發與X射線測量一致的模型。實驗室的國家能源研究科學計算中心的努力得到數百萬小時的計算能力的支持。
研究人員指出，在同一個實驗室獲得X光技術，納米技術專長和計算資源的重要性。
結果也可能與其他類型的電池材料相關，包括基於鋰或鋁金屬的原型。普倫德加斯特說：“這可能是定義電解液穩定性的更為普遍的現象。”
Crumlin補充說：“我們已經開始運行新的模擬，可以告訴我們如何修改電解液以減少這些反應的不穩定性。”同樣地，他說，可以定制鎂的表面以減少或消除一些不希望的化學反應性。
“而不是允許它創建自己的界面，您可以自己構建它來控制和穩定界面化學。”他補充說。 “現在它導致不可控制的事件。”
