京都大學(xué)研究生院人類及環(huán)境學(xué)研究科教授內(nèi)本喜晴、助教折笠有基、研究生院工學(xué)研究科教授陰山洋及白眉中心特聘助教Cedric Tassel等的研究小組，與日本高亮度光科學(xué)研究中心開(kāi)發(fā)出了可取代已有Li(鋰)離子二次電池的高能量密度鎂(Mg)金屬二次電池。該電池以礦儲(chǔ)量大的鎂、Fe(鐵)、Si(硅)為主要元素，可降低成本。另外，此次研究還通過(guò)使用大型放射光設(shè)施“SPring-8”的高亮度放射光，明確了充放電反應(yīng)的原理。

　　圖：已實(shí)用化的二次電池與此次開(kāi)發(fā)的鎂二次電池的容量、密度和電壓的關(guān)系。越靠右上，能量密度越高。

　　在取代Li離子二次電池的新一代二次電池方面，高能量密度電池的開(kāi)發(fā)頗為活躍。其中，以多價(jià)離子為載流子的多價(jià)離子二次電池有望實(shí)用化。特別是以2價(jià)陽(yáng)離子的鎂離子為載流子的鎂二次電池，是尤為看好的候選對(duì)象。鎂金屬由于理論容量密度高且氧化還原電位較低，因此負(fù)極使用鎂的二次電池可預(yù)期實(shí)現(xiàn)高能量密度。而且，鎂的礦儲(chǔ)量也很大，可降低成本。此外，鎂的熔點(diǎn)約為650℃，與熔點(diǎn)為180℃的Li、熔點(diǎn)為98℃的Na(鈉)等相比，還可提高使用安全性。

　　不過(guò)，以往的鎂二次電池的實(shí)用化還存在諸多課題。鎂離子為2價(jià)陽(yáng)離子，離子半徑與Li離子相同。因此，電荷密度會(huì)升高，與正極材料的陰離子之間會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的靜電引力，同時(shí)與正極材料的陽(yáng)離子之間會(huì)產(chǎn)生斥力，從而使鎂離子的擴(kuò)散受阻。而且，2價(jià)陽(yáng)離子的鎂離子在嵌入時(shí)，還需要周圍的過(guò)渡金屬元素產(chǎn)生2個(gè)電子量級(jí)的價(jià)數(shù)變化。因此，鎂的嵌脫反應(yīng)速度比Li慢，幾乎沒(méi)有能夠使用的正極材料。另外，可使用鎂金屬負(fù)極的電解液主要為格氏試劑，溶劑使用四氫呋喃，抗氧化穩(wěn)定性低，并且還有空氣中的穩(wěn)定性及腐蝕性問(wèn)題，存在安全隱患。鎂二次電池要想實(shí)用化，必須要從正極材料及電解質(zhì)材料兩方 面取得突破。

　　京都大學(xué)的研究人員在正極材料使用通過(guò)Si-O結(jié)合使結(jié)晶構(gòu)造穩(wěn)定化的陰離子聚合物。通過(guò)以電氣化學(xué)處理手段精密控制結(jié)晶構(gòu)造，保證了鎂離子的擴(kuò)散，作為循環(huán)特性高的正極材料選擇了鎂FeSiO4。從充放電曲線來(lái)看，容量密度與已有Li離子電池正極的160mAh/g相比達(dá)到了2倍。電解質(zhì)組合使用雙三氟甲基硫酰亞胺鎂(鎂(TFSI)2)和三甘醇二甲醚(Triglyme)，能夠與鎂金屬負(fù)極組合，氧化穩(wěn)定性高。

　　此次組合使用所開(kāi)發(fā)的正極和電解質(zhì)，試制了二次電池。與已有的鎂二次電池相比，理論能量密度約提高6倍(圖)。而且，還具有不使用化學(xué)上不穩(wěn)定的格氏試劑及有腐蝕性的鹵素離子等優(yōu)點(diǎn)。