超越鋰：一種很有前途的鎂可充電電池正極材料

作為下一代電池的能量載體，鎂是很有前途的候選者。然而，鎂電池若要替代鋰離子電池，還需提高循環(huán)性能和容量。為此，一個研究團(tuán)隊專注于一種具有尖晶石結(jié)構(gòu)的新型正極材料。經(jīng)過廣泛的表征和電化學(xué)性能實驗，他們發(fā)現(xiàn)了一種特殊的成分，可以為高性能鎂充電電池打開大門。

就多種應(yīng)用的整體性能而言，鋰離子電池一直是無與倫比的，從便攜式電子產(chǎn)品到蜂窩基站的各種應(yīng)用都證明了這一點(diǎn)。然而，它們有一些難以忽視的重要缺點(diǎn)。一方面，鋰相當(dāng)昂貴，而且以極快的速度開采這一事實也于事無補(bǔ)。此外，鋰離子電池的能量密度不足以賦予電動汽車和重型機(jī)械自主權(quán)。這些擔(dān)憂，加上電池在被刺破或處于高溫時非常不安全的事實，促使科學(xué)家們尋找替代技術(shù)。

鎂充電電池因其能量密度、安全性和成本而顯示出對綠色未來的巨大希望。但缺乏高性能正極材料阻礙了它們的發(fā)展?，F(xiàn)在，一個研究小組已經(jīng)開發(fā)出液態(tài)硫/硫化物復(fù)合陰極，可以實現(xiàn)高倍率鎂電池。鎂可充電電池 (MRB) 以高容量鎂金屬作為負(fù)極材料，由于其能量密度、安全性和成本，是下一代電池的有前途的候選者。然而，高性能正極材料的缺乏阻礙了它們的發(fā)展。與鋰離子對應(yīng)物一樣，過渡金屬氧化物是 MRB 中的主要陰極材料。然而，鎂離子在氧化物內(nèi)部的緩慢擴(kuò)散造成了一個嚴(yán)重的問題。為了克服這個問題，一些研究人員探索了硫基材料。但是用于 MRB 的硫基正極有嚴(yán)重的局限性：低電子電導(dǎo)率、固體 Mg-S 化合物中的 Mg 擴(kuò)散緩慢以及多硫化物在電解質(zhì)中的溶解度，這導(dǎo)致低倍率性能和循環(huán)性能差。

在作為可充電電池的有效能量載體進(jìn)行測試的各種元素中，鎂 (Mg) 是一個很有前途的候選元素。除了安全性和豐富性外，Mg 還具有實現(xiàn)更高電池容量的潛力。但是，首先需要解決一些問題。這些包括鎂離子提供的低電壓窗口，以及在鎂電池材料中觀察到的不可靠的循環(huán)性能。

為了解決這些問題，由日本東京理科大學(xué)副校長 Yasushi Idemoto 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊一直在尋找用于鎂電池的新型陰極材料。特別是，他們一直在尋找提高基于 MgV(V：釩)系統(tǒng)的正極材料性能的方法。幸運(yùn)的是，正如 2022 年 12 月 8 日在線發(fā)布并于 2023 年 1 月 1 日發(fā)表在電分析化學(xué)雜志第 928 卷上的最新研究報告所述，他們現(xiàn)在找到了通往成功的正確道路。

研究人員專注于 Mg 1.33 V 1.67 O 4系統(tǒng)，但用錳 (Mn) 代替了一定量的釩，獲得了分子式為 Mg1.33V1.67?xMnxO4 的材料，其中x為 0.1 至 0.4。雖然該系統(tǒng)具有很高的理論容量，但需要分析有關(guān)其結(jié)構(gòu)、循環(huán)性和陰極性能的更多細(xì)節(jié)，以了解其實際用途。因此，研究人員使用多種標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)對合成的陰極材料進(jìn)行了表征。

首先，他們使用 X 射線衍射和吸收以及透射電子顯微鏡研究了 Mg1.33V1.67?xMnxO4 化合物的組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子分布和粒子形態(tài)。分析表明，Mg1.33V1.67?xMnxO4 具有尖晶石結(jié)構(gòu)，成分非常均勻。接下來，研究人員進(jìn)行了一系列電化學(xué)測量，以評估 Mg1.33V1.67?xMnxO4 的電池性能，使用不同的電解質(zhì)并測試在不同溫度下產(chǎn)生的充電/放電性能。

該團(tuán)隊觀察到這些陰極材料的高放電容量——尤其是 Mg 1.33 V 1.57 Mn 0.1 O 4——但它也因循環(huán)次數(shù)而顯著變化。為了解原因，他們分析了材料中釩原子附近的局部結(jié)構(gòu)。“看起來特別穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)以及釩的大量電荷補(bǔ)償導(dǎo)致我們觀察到 Mg 1.33 V 1.57 Mn 0.1 O 4的優(yōu)異充放電性能，”Idemoto 教授說?！熬C上所述，我們的結(jié)果表明 Mg 1.33 V 1.57 Mn 0.1 O4可能是鎂充電電池的良好候選正極材料?！?

Idemoto 教授對目前的研究結(jié)果感到滿意，并對未來充滿希望，他總結(jié)說：“通過未來的研究和開發(fā)，由于前者具有更高的能量密度，鎂電池可能會超過鋰離子電池。”

事實上，替代的 MgV 系統(tǒng)最終可能會導(dǎo)致期待已久的下一代電池。讓我們希望能夠滿足我們對可充電電池需求的備受期待的鋰替代品早日實現(xiàn)!