研究克服了镁金属电池的主要技术障碍

美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)的科学家发现了一种开发可充电非水镁金属电池的新方法。

发表在“ 自然 - 化学”上的概念验证论文详细介绍了科学家们如何率先采用一种方法，在非腐蚀性碳酸盐基电解质中实现镁金属的可逆化学，并在原型细胞中测试了这一概念。该技术具有优于锂离子电池的潜在优势 - 特别是更高的能量密度，更高的稳定性和更低的成本。NREL研究人员(左起)Seoung-Bum Son，Steve Harvey，Andrew Norman和Chunmei Ban是自然化学白皮书的合着者，“人工界面使碳酸盐电解质中的可逆镁化学”与飞行时间一起工作二次离子质谱。该装置允许他们研究微米级到纳米级的材料降解和失效机理。(摄影：Dennis Schroeder / NREL)

“作为科学家，我们一直在思考：下一步是什么?” NREL材料科学系的科学家，该论文的通篇作者Chunmei Ban表示，“人工界面可以在碳酸盐电解质中实现可逆镁化学”。她说，占主导地位的锂离子电池技术接近每卷可存储的最大能量，因此“迫切需要探索能够以更低成本提供更多能源的新电池化学品”。

“这一发现将为镁电池设计提供一条新途径，”前NREL博士后科学家和NREL科学家Seoung-Bum Son说道，该论文的第一作者。来自NREL的其他合着者是Steve Harvey，Adam Stokes和Andrew Norman。

当离子从负电极(阴极)流过液体(电解质)到正电极(阳极)时，电化学反应为电池供电。对于使用锂的电池，电解质是含有锂离子的盐溶液。同样重要的是，化学反应必须是可逆的，以便电池可以充电。

理论上，镁(Mg)电池每体积的能量几乎是锂离子电池的两倍。但是之前的研究遇到了一个障碍：传统碳酸盐电解质的化学反应在镁表面形成了阻挡电池充电的屏障。镁离子可以通过高腐蚀性的液体电解质反向流动，但这阻碍了成功的高压镁电池的可能性。

为了克服这些障碍，研究人员开发了一种人造固体电解质中间相，由聚丙烯腈和镁离子盐保护镁阳极表面。该受保护的阳极表现出显着改善的性能。

并排插图显示了NREL科学家如何解决制造可充电镁电池的问题。

科学家组装原型细胞以证明人工间期的稳健性并发现了有希望的结果：具有受保护阳极的电池在碳酸盐电解质中实现了可逆的Mg化学，这在以前从未被证实过。具有这种受保护的Mg阳极的电池也比没有保护的原型提供更多的能量，并且在重复循环期间继续这样做。此外，该集团已经证明了镁金属电池的可再充电性，这为同时解决阳极/电解质不相容性和离开阴极的离子的限制提供了前所未有的途径。

除了比锂更容易获得之外，镁还具有与更成熟的电池技术相比的其他潜在优势。首先，镁释放两个电子到锂的电子，因此它有可能提供几乎两倍于锂的能量。其次，镁金属电池没有经历树枝状晶体的生长，晶体可以导致短路并因此导致危险的过热甚至火灾，使得潜在的镁电池比锂离子电池更安全。