鎂離子電池：離現(xiàn)實(shí)使用更近一步發(fā)展

研究人員提高了室溫下鎂離子的電導(dǎo)率，為鎂離子電池的下一步開(kāi)發(fā)鋪平了道路。

東京理科大學(xué)(TUS) 的研究人員開(kāi)發(fā)出一種新型電解質(zhì)材料，可提高室溫下鎂離子的導(dǎo)電性，為下一步開(kāi)發(fā)鎂離子 (Mg 2+ ) 電池鋪平道路。研究人員表示，作為鋰離子的低成本替代品，Mg 2+電池由于室溫下固體中鎂離子的導(dǎo)電性差而面臨巨大障礙。

“鋰離子電池在重量能量密度方面具有優(yōu)勢(shì)，因此適合移動(dòng)使用(例如，手機(jī))，”應(yīng)用化學(xué)系理學(xué)院一科初級(jí)副教授 Masaaki Sadakiyo 博士說(shuō)在啟迪。但他說(shuō)，鋰 (Li) 是一種稀有元素。

“另一方面，Mg 2+電池在體積能量密度和成本方面具有優(yōu)勢(shì)(即較少使用稀有元素)，這將有利于固定使用(例如，可再生能源的電力存儲(chǔ))，”他添加?！翱紤]到鋰在地球上是一種有限的資源，未來(lái)世界的大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)該被其他電池如Mg 2+所取代?！?

研究人員表示，鎂是一種很有前途的固態(tài)電池材料，因?yàn)樗呢S富性，而基于 Mg 2+的能源裝置具有高能量密度、高安全性和低成本。然而，Mg 2+的廣泛應(yīng)用受到其在室溫下在固體中導(dǎo)電性差的限制，他們報(bào)告說(shuō)：“Mg 2+的固態(tài)導(dǎo)電性差，因?yàn)槎r(jià)正離子 (2+) 與其相鄰的負(fù)離子發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。固體晶體中的離子，阻礙它們?cè)诓牧现械倪w移?！?

TUS 的研究人員相信，他們已經(jīng)解決了該化學(xué)物質(zhì)的局限性，即使用基于金屬有機(jī)框架 (MOF) 的 Mg 2+導(dǎo)體，該導(dǎo)體在室溫下具有超離子導(dǎo)電性。他們報(bào)告說(shuō)，Mg 2+電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)了 1.9 × 10 –3 S cm –1的超導(dǎo)率，這是固態(tài)電池實(shí)際應(yīng)用的門(mén)檻。

研究人員在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》上發(fā)表的一項(xiàng)研究中分享了他們的發(fā)現(xiàn)。一個(gè)關(guān)鍵結(jié)果表明，對(duì)于含有 Mg 2+的結(jié)晶固體，電導(dǎo)率是迄今為止報(bào)道的最高值，克服了長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的障礙。

領(lǐng)導(dǎo)“無(wú)鋰固態(tài)電池的新型鎂超離子導(dǎo)體”研究的Sadakiyo描述了用作MOF的材料，這些材料具有高度多孔的晶體結(jié)構(gòu)，可以有效地遷移離子。

研究人員將一種“客體分子”乙腈引入 MOF 的孔隙中，從而加速了 Mg 2+的導(dǎo)電性。

“我們的論文與固態(tài)電池的電解質(zhì)(即Mg2+導(dǎo)體)的開(kāi)發(fā)有關(guān)，”薩達(dá)基約說(shuō)?！拔覀冎苽淞艘环N新的Mg2+導(dǎo)體，并清除了其離子導(dǎo)電機(jī)制。我們澄清了限制在某些特定固體材料(即MOF)孔中的Mg2+在某些特定的有機(jī)蒸汽下有效地遷移，由此產(chǎn)生的Mg2+電導(dǎo)率足夠高，可以用于電池?！痹搱F(tuán)隊(duì)使用名為 MIL-101 的 MOF 作為框架，將 Mg 2+ 離子封裝在其納米孔中。這產(chǎn)生了一種基于 MOF 的電解質(zhì)，其中 Mg 2+松散堆積，允許二價(jià) Mg 2+離子遷移。然后為了提高離子電導(dǎo)率，他們將電解質(zhì)引入乙腈蒸氣中。對(duì)樣品進(jìn)行交流阻抗測(cè)試以測(cè)量離子電導(dǎo)率。

其他測(cè)量和測(cè)試表明，吸附在框架中的乙腈分子允許 Mg 2+離子有效遷移通過(guò)固體電解質(zhì)體。這證明了基于 MOF 的 Mg 2+導(dǎo)體是適用于電池應(yīng)用的材料。

貞明認(rèn)為，這一突破使該行業(yè)向商業(yè) Mg 2+電池又邁進(jìn)了一步，盡管在其他領(lǐng)域還需要做更多的工作?！拔覀冋J(rèn)為我們的發(fā)現(xiàn)有助于從電解質(zhì)部分的角度實(shí)現(xiàn) Mg 2+電池，”他說(shuō)?！叭欢?，正如你所提到的，要實(shí)現(xiàn)實(shí)用的 Mg 2+電池還存在許多其他挑戰(zhàn)，不僅在電解質(zhì)材料部分，而且在電極材料方面?！?

研究小組計(jì)劃通過(guò)與另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室合作，將這種材料應(yīng)用于“真正的”電池。Sadakiyo 認(rèn)為商業(yè)用途不需要特定的許可，因?yàn)樗麄儧](méi)有獲得專(zhuān)利并且該作品已經(jīng)出版。“然而，目前，我們認(rèn)為還有很多問(wèn)題需要更多的研究人員來(lái)改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)電池的真正用途。”

該團(tuán)隊(duì)接下來(lái)的步驟之一包括創(chuàng)造“其他新型材料，顯示出更高的 Mg 2+電導(dǎo)率、更高的 Mg 2+傳輸數(shù)和更低的有機(jī)蒸氣壓，”Sadakiyo 說(shuō)。該團(tuán)隊(duì)還“有興趣將多價(jià)離子(例如，Mg 2+)傳導(dǎo)的基礎(chǔ)科學(xué)包含在固體中。”

在Sadakiyo 看來(lái)，至少在10-20 年內(nèi)，我們不會(huì)看到市售的商用Mg 2+電池。

除了Sadakiyo，研究小組還包括同樣來(lái)自TUS的Yuto Yoshida;東京大學(xué) Teppei Yamada 教授;北海道大學(xué)助理教授Takashi Toya和教授Ken-ichi Shimizu。