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

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）