長期以來，鎂電池一直被認為是一種潛在的更安全和更便宜的鋰離子電池替代品，但之前開發(fā)的鎂電池在功率密度方面受到嚴重限制。
來自休斯敦大學和北美豐田研究所（TRINA）的研究人員在《Nature Energy》雜志上報告說，他們已經(jīng)開發(fā)出一種新的陰極和電解質(zhì)（以前是高能鎂電池的限制因素）來證明鎂電池能夠在室溫下工作，并提供與鋰離子電池相當?shù)墓β拭芏取?
隨著對電網(wǎng)規(guī)模儲能和其他應用的需求越來越迫切，研究人員已經(jīng)在尋找更便宜和更容易獲得的鋰的替代品。
鎂離子的電荷量是鋰的兩倍，而離子半徑相似。因此，鎂從電解質(zhì)中解離和在電極中擴散，這兩個在經(jīng)典夾層陰極中發(fā)生的基本過程，在室溫下是遲緩的，導致功率性能低下。解決這些難題的方法之一是改善高溫下的化學反應。另一種則是通過以復雜的形式存儲鎂陽離子來規(guī)避這些困難。這兩種方法都不實用。
休斯敦大學電氣和計算機工程學院庫倫教授、該論文的共同通訊作者Yan Yao表示，突破性的成果來自于將有機醌陰極和基于硼簇的新型定制電解質(zhì)溶液相結(jié)合。
"我們展示了一種異質(zhì)烯化氧化還原化學，以創(chuàng)建一種陰極，它不會受到離子解離和固態(tài)擴散挑戰(zhàn)的阻礙，這些挑戰(zhàn)阻礙了鎂電池在室溫下的高效運行，"Yao說。"這一類新型氧化還原化學避開了固態(tài)互溶的需要，同時只儲存鎂，而不是其復雜的形式，創(chuàng)造了鎂電池電極設計的新范式。"
Yao也是UH德州超導中心(TcSUH)的首席研究員，他是多價金屬離子電池開發(fā)的領導者。他的小組最近在《Nature Energy》上發(fā)表了一篇關于更好的多價電池路線圖的文章。
TRINA的研究人員在鎂電池領域取得了巨大的進步，包括開發(fā)了基于硼簇陰離子的高度認可的高效電解質(zhì)。然而，這些電解質(zhì)在支持高電池循環(huán)率方面存在局限性。
"原則上基于這些弱配位陰離子的電解質(zhì)有可能支持非常高的循環(huán)率，因此我們致力于調(diào)整它們的特性，"TRINA材料研究部門首席科學家、共同通訊作者Rana Mohtadi說。"我們通過將注意力轉(zhuǎn)向溶劑來解決這個問題，以減少其與鎂離子的結(jié)合，并改善體積運輸動力學。即使在超高循環(huán)速率下，從改性電解質(zhì)中鍍出的鎂仍然保持平穩(wěn)。我們相信，這揭開了鎂電池電化學的一個新面紗。"
這項工作在一定程度上是2018年在Joule上描述的早期努力的延續(xù)。
"新的電池比以前的鎂電池所達到的功率密度高出近兩個數(shù)量級，"Dong說。"該電池能夠繼續(xù)工作超過200次循環(huán)，容量保持率約為82%，顯示出很高的穩(wěn)定性。我們可以通過定制膜的特性，增強中間捕集能力，進一步提高循環(huán)穩(wěn)定性。"
Tutusa表示，這項工作表明了下一步向高性能鎂電池發(fā)展的方向。
論文標題為《High-power Mg batteries enabled by heterogeneous enolization redox chemistry and weakly coordinating electrolytes》。
