無序晶體鎂鉻氧化物有望用于未來的電池技術(shù)

UCL 和伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的研究人員發(fā)現(xiàn)，微小、無序的氧化鎂鉻顆?？赡苁切滦玩V電池儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵，與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，這種技術(shù)可能具有更高的容量。

報(bào)告了一種新的、可擴(kuò)展的方法來制造一種材料，這種材料可以在高壓下可逆地儲(chǔ)存鎂離子，這是陰極的決定性特征。

雖然它還處于早期階段，但研究人員表示，這是向鎂基電池邁進(jìn)的重大進(jìn)展。迄今為止，很少有無機(jī)材料表現(xiàn)出可逆的鎂去除和插入，這是鎂電池發(fā)揮作用的關(guān)鍵。

“鋰離子技術(shù)正在達(dá)到其能力的極限，因此尋找其他化學(xué)物質(zhì)非常重要，這將使我們能夠制造出具有更大存儲(chǔ)容量和更纖薄設(shè)計(jì)的電池，”共同主要作者伊恩約翰遜博士說（倫敦大學(xué)學(xué)院）化學(xué)）。

“鎂電池技術(shù)一直被認(rèn)為是提供更持久的手機(jī)和電動(dòng)汽車電池的可能解決方案，但獲得一種實(shí)用的材料用作陰極一直是一個(gè)挑戰(zhàn)?！?

限制鋰離子電池的一個(gè)因素是陽極。出于安全原因，鋰離子電池必須使用低容量碳陽極，因?yàn)槭褂眉冧嚱饘訇枠O會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的短路和火災(zāi)。

相比之下，鎂金屬陽極更安全，因此將鎂金屬與功能性陰極材料結(jié)合可以使電池更小并儲(chǔ)存更多能量。

先前使用計(jì)算模型的研究預(yù)測(cè)，鎂鉻氧化物 (MgCr2O4) 可能是鎂電池陰極的有前途的候選者。

受這項(xiàng)工作的啟發(fā)，UCL 研究人員在非常快速和相對(duì)低溫的反應(yīng)中生產(chǎn)了一種 ~5 nm 的無序鎂鉻氧化物材料。

伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的合作者隨后將其鎂活性與約 7 nm 寬的常規(guī)有序鎂鉻氧化物材料進(jìn)行了比較。

他們使用了一系列不同的技術(shù)，包括 X 射線衍射、X 射線吸收光譜和尖端的電化學(xué)方法，以觀察兩種材料在電池中測(cè)試鎂活性時(shí)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)變化。

這兩種晶體的行為非常不同，無序顆粒表現(xiàn)出可逆的鎂提取和插入，而較大的有序晶體則沒有這種活性。

“這表明電池的未來可能在于無序和非常規(guī)結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)令人興奮的前景，我們以前沒有探索過，因?yàn)橥ǔo序會(huì)導(dǎo)致電池材料出現(xiàn)問題。它強(qiáng)調(diào)了查看其他結(jié)構(gòu)缺陷材料是否存在的重要性可能為可逆電池化學(xué)提供更多機(jī)會(huì)”Jawwad Darr 教授（倫敦大學(xué)學(xué)院化學(xué)系）解釋道。

“我們看到，與有序晶體相比，表面積的增加和晶體結(jié)構(gòu)中的無序性為重要化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生提供了新的途徑。

通常，需要有序以提供清晰的擴(kuò)散途徑，使細(xì)胞能夠輕松充電和放電——但我們所看到的表明，無序結(jié)構(gòu)引入了新的、可獲得的擴(kuò)散途徑，需要進(jìn)一步研究，”Jordi Cabana 教授說（伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校）。

這些結(jié)果是英國和美國研究人員之間令人興奮的新合作的產(chǎn)物。UCL 和伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校打算將他們的研究擴(kuò)展到其他無序的高表面積材料，以進(jìn)一步提高鎂的儲(chǔ)存能力并開發(fā)實(shí)用的鎂電池。