材料牛注：研究員們發(fā)現(xiàn)在氧化錳電池電極(Mn2O4)中，Mg2+可以輕松，可逆地嵌入LiMn2O4，相對于傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，不僅提高了能量密度，而且安全性和成本都降低了，鎂離子電池是如何做到的?

　　科學(xué)前沿

　　在鋰離子電池中，一個(gè)單電荷的鋰離子在兩個(gè)電極之間流動(dòng)，電子是在外部電路中的流動(dòng)。如果太多的鋰離子嵌入兩個(gè)原子層中間，那么電極的原子結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化，這關(guān)乎著電池的充電能力。

　　在氧化錳電池電極(Mn2O4)中，帶兩個(gè)正電荷的鎂離子(Mg2+)可以在每個(gè)插層中提供兩個(gè)電子，是相同密度的不可逆變形無電極材料中電流的兩倍。本研究表明，Mg2+可以輕松可逆地嵌入LiMn2O4的。

　　影響

　　在以后，采用Mg2+嵌入插層優(yōu)勢的負(fù)極電池系統(tǒng)，其能量密度是市場上鋰電池密度的兩倍，甚至是多倍。

　　結(jié)論

　　由正極和負(fù)極兩種電極構(gòu)成的電池，通常用絕緣體將兩電極隔開。電池在使用時(shí)，電流在電池外部的電路中流動(dòng)，電池內(nèi)部的帶電原子在兩電極間流動(dòng)。從電解液中插入太多的離子進(jìn)入電極會(huì)導(dǎo)致電極的原子結(jié)構(gòu)，從而限制了電池的充電能力。采用Mg2+離子代替單電荷鋰離子的電池，其能量密度和插層離子電位都會(huì)提高。目前，鎂電池的主要難題就是找到能夠存儲(chǔ)大量的Mg2+離子的陰極材料。這項(xiàng)研究表明，具有尖晶石結(jié)構(gòu)的Mn2O4就是可以存儲(chǔ)大量的Mg2+離子的陰極材料。聯(lián)合能源存儲(chǔ)研究中心的研究員們發(fā)現(xiàn)鎂可以輕松可逆地嵌入電極，科學(xué)家用四種技術(shù)來描述這種現(xiàn)象。這種插層可以在元素分析用的電子顯微鏡下可見。X射線衍射分析證實(shí)了插層后的電極原子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變形。核磁共振(NMR)和X射線吸收光譜(XAS)進(jìn)一步證實(shí)了鎂插層的存在。本研究證實(shí)了在電池的正極材料中嵌入Mg2+的有效性。采用了Mg2+嵌入插層的電池相對傳統(tǒng)的鋰離子電池，不僅提高了能量密度，而且提高了電池的安全性，降低了成本。