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美多家研究机构研发新导体 全固态镁离子电池研发有望突破

导读: 据外媒报道,能源储备联合研究中心(Joint Center for Energy Storage Research,JCESR)能源部团队内的科研人员发现了一款导电性最快的镁离子固态导体,向固态镁离子电池的研发及制造又迈进了一大步。

美多家研究机构研发新导体 硒化钪镁尖晶石将助力全固态镁离子电池研发

据外媒报道,能源储备联合研究中心(Joint Center for Energy Storage Research,JCESR)能源部团队内的科研人员发现了一款导电性最快的镁离子固态导体,向固态镁离子电池的研发及制造又迈进了一大步。

通过大量的精确测算,经研究人员验证在密排架构(close-packed frameworks)下,镁离子的流动性很大(~0.01–0.1 mS cm-1 at 298 K),在硒化钪镁尖晶石(magnesium scandium selenide spinel)内更是如此。该理论预计值还表明,在其他硒化物尖晶石中,镁离子的流动性可能也很高,这位实现其他固态镁离子导体乃至研发全固态镁电池(all-solid-state magnesium battery)开启了一闪希望之门。

美国能源部(DoE)劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)与阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)正致力于研发一款镁电池,其能量密度要高于锂电池,但该研究由于缺乏良好的电解液而受阻,因为该电解液会腐蚀电池的其他部件。

相较于锂,镁有很多优点:安全性更高、矿藏资源丰富、总离子电量是锂的两倍、镁电池的理论容积(theoretical volumetric capacity)要高于传统的锂电池。此外,镁电池的阳极采用了镁金属,其能量密度(~3,830 Ah l 1)比石墨阳极的理论容积能量密度(~700 Ah l 1)及金属(2,062 Ah l–1)高。

然而,Mg2+及其他多价阳离子(multivalent cations)的流动性不佳,从而对锂离子、钠离子电池阴极材料的研发造成影响。Mg流动能力较差,也限制了固态屏蔽涂层(solid barrier coatings)的使用,导致电解液对电极造成腐蚀,无法发挥防护作用。另一方面,全固态镁电池的研发也受到影响,而讽刺的是,该类电池却恰恰缓解当今电池电解液的腐蚀问题。

该研发团队还包括麻省理工学院的科研人员,负责提供计算资源(computational resources),而阿贡国家实验室则提供了硒化钪镁尖晶石材料的核心实验验证,并就其结构及功能做了书面归档。

阿贡国家实验室的研究化验师(research chemist)还进行了核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)光谱实验,该类测试旨在利用实验证明镁离子或能如理论研究预计的那样,实现较高的离子流动性。(本文图片选自阿贡国家实验室官网)

作者:李文龙

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