Главный сдерживающий фактор современных литий-ионных аккумуляторов — это анод. В целях безопасности его изготавливают из углеродных материалов, поскольку в этом случае риск короткого замыкания и возгорания сводится к минимуму. Однако в результате уменьшается емкость аккумулятора, а с ней и срок работы устройства.

Использовать аноды на основе металлического лития опасно. А вот анод на основе металлического магния сводит риски к минимуму. Если использовать его вместе с функциональным катодом, то можно создать более мощную батарею меньшего размера.

«Магниевые батареи позволят продлить срок службы смартфонов и увеличить запас хода электромобилей», — отмечает автор исследования Йен Джонсон.

Но, как поясняет химик, проблема подбора подходящего материала для катода долгое время оставалась нерешенной.

Математическая модель показала, что перспективным «кандидатом» для катода может стать материал на основе оксида магния и хрома — MgCr2O4. В ходе экспериментов американские ученые получили материал с неупорядоченной структурой толщиной 5 нм с высокой скоростью реакции при относительно низкой температуре. 

Затем его сопоставили с обычными материалом с упорядоченной структурой толщиной 7 нм. Серия тестов, в том числе рентгеноструктурный анализ и рентгеновская абсорбционная спектроскопия, выявила существенные различия. Оказалось, что неупорядоченные частицы обладают более выигрышным набором свойств.

«Исследование доказывает, что в основе батарей нового типа могут лежать неупорядоченные, нестандартные структуры», — цитирует профессора Джавварда Дарра ScienceDaily.

Ученые предполагают, что другие материалы со структурными дефектами, на которые исследователи прежде не обращали внимания, могут доказать свою эффективность. Американские химики надеются, что дальнейшие исследования позволят им создать функциональные магниевые аккумуляторы. Результаты своих экспериментов они опубликовали в журнале Nanoscale.

По всему миру ведутся разработки аккумуляторов, которые в перспективе заменят литий-ионные. Так, в Китае уже налаживают выпуск твердотельных батарей, в MIT экспериментируют с алюминий-воздушными накопителями, другие американские ученые делают ставку на фториды и никель-водородные системы.