NREL科研人員攻克可充電鎂電池難關(guān)示意圖
圖片來(lái)源：John Frenzl
美國(guó)能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種制造可充電無(wú)水鎂電池的新方法。
近期刊登在Nature Chemistry上的一篇論文引起了轟動(dòng)，該篇論文詳細(xì)闡述了科學(xué)家開(kāi)發(fā)鎂金屬在無(wú)腐蝕性碳基電解質(zhì)中發(fā)生可逆化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，并且該過(guò)程通過(guò)了接下來(lái)的測(cè)試。比起鋰離子電池，該技術(shù)具有更有潛力的優(yōu)勢(shì)——其中最大的優(yōu)勢(shì)是具有更高的能量密度、更強(qiáng)的穩(wěn)定性和更低的成本。
Seoung-Bum Son, Steve Harvey, Andrew Norman 和 Chunmei Ban是NREL的研究人員，同時(shí)也是Nature Chemistry 白皮書(shū)《碳酸鹽中人造可逆的鎂化學(xué)反應(yīng)》的合著者，他們利用飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀來(lái)輔助自己的研究工作。該設(shè)備可以幫助他們?cè)诩{米尺度上研究材料退化和失效機(jī)制。
NREL材料科學(xué)部門(mén)的科學(xué)家、《碳酸鹽中人造可逆的鎂化學(xué)反應(yīng)》的作者之一Chunmei Ban表示：“作為科學(xué)家，我們總是在想接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么?！彼J(rèn)為在市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位的鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)觸摸到了技術(shù)上的天花板，因此迫切需要探索新的化學(xué)電池技術(shù)，以更低的成本提供更多的能量。
NREL前博士后，現(xiàn)科學(xué)家科學(xué)家，該論文的第一作者Seoung-Bum表示：“這一發(fā)現(xiàn)將為鎂電池的設(shè)計(jì)提供新的途徑。”其他合著者則是Steve Harvey, Adam Stokes, 和 Andrew Norman。當(dāng)離子從負(fù)極流向正極時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)就會(huì)使電池產(chǎn)生能量。對(duì)于鋰電池來(lái)說(shuō)，電解液是含有鋰離子的鹽溶液。而電池技術(shù)的關(guān)鍵在于化學(xué)反應(yīng)必須是可逆的，只有這樣電池才能實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程。
理論上講，同體積的鎂（Mg）電池所能儲(chǔ)存的能量幾乎是鋰離子電池的兩倍。但是之前的研究遇到了一個(gè)難題：傳統(tǒng)的碳酸鹽電解質(zhì)會(huì)因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)在鎂表面形成一道屏障，這會(huì)阻礙電池的充電過(guò)程。鎂離子可以通過(guò)高腐蝕性的液體電解質(zhì)流向相反的方向，但這也打消了高壓鎂電池的可能性。
而為了解決這個(gè)難題，研究人員開(kāi)發(fā)了一種由聚丙烯腈和鎂離子鹽組成的人工固體電解質(zhì)夾層，這可以保護(hù)鎂陽(yáng)極表面。而最終這種受保護(hù)陽(yáng)極的性能也得到了改善。
上文中的插圖顯示了NREL的科學(xué)家是如何解決可充電鎂電池問(wèn)題的。
科學(xué)家們組裝了標(biāo)準(zhǔn)電池，證明了人工中間相的有效性，而最終的結(jié)果也令人十分欣喜：Mg在具有保護(hù)陽(yáng)極的電池的碳酸鹽電解質(zhì)中發(fā)生了可逆化學(xué)反應(yīng)，這一現(xiàn)象是鎂電池領(lǐng)域的首次發(fā)現(xiàn)。與沒(méi)有保護(hù)陽(yáng)極的原型電池相比，帶有保護(hù)陽(yáng)極的鎂電池可以提供更多的能量，并且可以維持周期性的充放電過(guò)程。此外，該科研小組還充分展示了鎂電池的充電能力，這也首次為解決陽(yáng)極/電解質(zhì)不相容問(wèn)題以及離子離開(kāi)陰極受到限制的問(wèn)題提供了解決方法。
與鋰相比，鎂的獲取范圍更廣，并且與鋰電池這種更成熟的電池技術(shù)相比，鎂電池還具有其他的潛在優(yōu)勢(shì)。首先，鎂可以釋放兩個(gè)電子，這是鋰的兩倍，這使得它可以產(chǎn)生幾乎兩倍于鋰的能量。其次，鎂電池中沒(méi)有枝晶的生長(zhǎng)，這種枝晶很容易導(dǎo)致短路，從而導(dǎo)致過(guò)熱甚至事故的發(fā)生，這種特質(zhì)使得鎂電池比鋰離子電池更加安全。
文章來(lái)自Tech Plore，原文題目為Research overcomes major technical obstacles in magnesium-metal batteries，由材料科技在線(xiàn)匯總整理。