長期以來，鎂電池一直被認為是鋰離子電池的一種潛在的更安全，更便宜的替代品，但是以前的版本已經(jīng)嚴重限制了其提供的功率休斯敦大學和北美豐田研究所(TRINA)的研究人員在《自然能源》雜志上報告說，他們已經(jīng)開發(fā)出一種新的陰極和電解質(zhì)(以前是高能鎂電池的限制因素)，以證明一種鎂電池能夠在室溫下工作并提供可與鋰離子電池媲美的功率密度。

隨著對電網(wǎng)規(guī)模的儲能和其他應用的需求變得越來越緊迫，研究人員尋求了更便宜，更容易獲得的鋰替代品。

鎂離子具有兩倍的鋰電荷，而離子半徑相似。結(jié)果，鎂在電解質(zhì)中的解離及其在電極中的擴散(這是經(jīng)典的嵌入陰極中發(fā)生的兩個基本過程)在室溫下緩慢，從而導致低功率性能。

解決這些挑戰(zhàn)的一種方法是改善高溫下的化學反應。另一種通過將鎂陽離子以其復雜形式儲存來解決了這些難題。兩種方法都不可行。

休斯敦大學卡倫大學電氣與計算機工程教授，論文的同時通訊作者Yan Yao說，突破性的結(jié)果來自有機醌醌陰極和新的基于硼簇的定制電解質(zhì)溶液的結(jié)合。

姚說：“我們展示了一種異質(zhì)烯化氧化還原化學反應，可制造出不受離子解離和固態(tài)擴散挑戰(zhàn)阻礙的陰極，這些挑戰(zhàn)阻止了鎂電池在室溫下有效運行。” “這種新型的氧化還原化學物質(zhì)在僅存儲鎂而不是復雜形式的情況下，不再需要固態(tài)插層，從而為鎂電池電極設計創(chuàng)造了新的范例。”

姚也是美國德克薩斯大學超導性中心(TcSUH)的首席研究員，是多價金屬離子電池開發(fā)的領(lǐng)導者。他的小組最近在《自然能源》上發(fā)表了一篇有關(guān)改進多價電池路線圖的評論文章。

TRINA研究人員在鎂電池領(lǐng)域取得了巨大進步，包括開發(fā)基于硼簇陰離子的高度認可的高效電解質(zhì)。然而，這些電解質(zhì)在支持高電池循環(huán)速率方面具有局限性。

TRINA and co材料研究部門首席科學家Rana Mohtadi表示：“我們暗示，原則上基于這些弱配位陰離子的電解質(zhì)可能具有支持非常高的循環(huán)速率的潛力，因此我們致力于調(diào)整其性能。” -通訊作者。“我們通過將注意力轉(zhuǎn)移到溶劑上來解決該問題，以減少其與鎂離子的結(jié)合并改善整體傳輸動力學。”

“令我們著迷的是，即使在超高循環(huán)速率下，改性電解質(zhì)鍍的鎂仍能保持光滑。我們相信這為鎂電池電化學開辟了一個新的面。”

這項工作是2018年在焦耳(Joule)中描述的早期工作的延續(xù)，并且涉及許多相同的研究人員。除Yao和Mohtadi之外，其他合著者包括第一作者Hui Dong，他曾是Yao的實驗室成員，現(xiàn)在是德克薩斯大學奧斯汀分校的博士后研究員以及TRINA的Oscar Tutusaus。UH和TcSUH的Liangyanliang和Ye Ye Zhang;勞倫斯伯克利國家實驗室的Zachary Lebens-Higgins和Wanli Yang。Lebens-Higgins也隸屬于賓漢姆頓大學。

董說：“新電池比以前的鎂電池要高出近兩個數(shù)量級。” “該電池能夠以200%左右的容量保持能力繼續(xù)運行200個循環(huán)以上，顯示出高穩(wěn)定性。我們可以通過調(diào)整膜的性能來增強中間捕獲能力，從而進一步提高循環(huán)穩(wěn)定性。”

Tutusaus說，這項工作表明了高性能鎂電池的下一步發(fā)展。

他說：“我們的結(jié)果為開發(fā)用于鎂電池的高性能陰極材料和電解質(zhì)解決方案指明了方向，并為使用高密度金屬進行快速儲能開辟了新的可能性。”

標簽： 鎂電池