休斯頓大學(xué)和北美豐田研究所開發(fā)可與鋰離子電池競爭的大功率鎂電池

據(jù)《Nature Energy》報道，休斯頓大學(xué)和北美豐田研究所(TRINA)的研究人員開發(fā)了一種新的正極和電解質(zhì)，可使鎂電池在常溫下使用，且功率密度與鋰離子電池相當(dāng)。長期以來，鎂電池被認(rèn)為是一種潛在的更安全和更便宜的鋰離子電池的替代品，但以前的鎂電池受正極和電解質(zhì)的限制，難以實現(xiàn)大功率。雖然鎂離子半徑與鋰離子相近，但鎂離子電荷是鋰的兩倍，常溫下鎂從電解質(zhì)中遷出并在電極中擴散(典型插層電極中發(fā)生的兩個基本過程)緩慢，功率較小。解決這個問題的方法之一是通過提高電池溫度，加速化學(xué)反應(yīng)。另一種方法是采用絡(luò)合物形式儲存陽離子，但這兩種方法都不實用。

休斯頓大學(xué)電氣和計算機工程教授Yan Yao表示，有機醌作為正極，一種新的特殊硼作為電解質(zhì)溶液，兩者相結(jié)合帶來突破性結(jié)果。通常離子遷移和在固體中的擴散不利于鎂離子電池的常溫運行。為了生產(chǎn)一種不受離子遷移和固體內(nèi)擴散影響的電極，他們對烯醇的非均相氧化還原化學(xué)反應(yīng)進行了研究。這類新的無需固態(tài)插層(僅限于儲存非絡(luò)合態(tài)的鎂)的氧化還原化學(xué)反應(yīng)，為鎂電池電極設(shè)計開創(chuàng)了新領(lǐng)域。

TRINA研究人員在鎂電池領(lǐng)域已取得了巨大進步，包括公認(rèn)的高效硼簇陰離子電解質(zhì)的開發(fā)。但這些電解質(zhì)對于提高電池循環(huán)壽命沒有什么用處。有跡象表明，這些由弱配位陰離子構(gòu)成的電解質(zhì)，從原理上講有可能提供很長的循環(huán)壽命，因此他們將工作重點放在調(diào)整電解質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)上。為了降低與鎂離子的結(jié)合力，提高鎂離子的宏觀傳輸能力，他們將研究重點轉(zhuǎn)向了溶劑。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，即使采用很大的充電電流(20 mA/cm)，改性后的電解質(zhì)鎂的遷移仍然平穩(wěn)。這一發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了鎂電池電化學(xué)的新領(lǐng)域。這種新鎂電池的功率密度(30.4 kW/kg)比過去的鎂電池高兩個數(shù)量級。經(jīng)過連續(xù)200多次循環(huán)試驗，電池容量仍保留約82%，顯示出高穩(wěn)定性。并且，可通過調(diào)整電解液性質(zhì)增強控制中間產(chǎn)物能力，進一步提高循環(huán)穩(wěn)定性。