鎂離子電池：離現(xiàn)實使用更近一步發(fā)展

研究人員提高了室溫下鎂離子的電導率，為鎂離子電池的下一步開發(fā)鋪平了道路。

東京理科大學(TUS) 的研究人員開發(fā)出一種新型電解質(zhì)材料，可提高室溫下鎂離子的導電性，為下一步開發(fā)鎂離子 (Mg 2+ ) 電池鋪平道路。研究人員表示，作為鋰離子的低成本替代品，Mg 2+電池由于室溫下固體中鎂離子的導電性差而面臨巨大障礙。

“鋰離子電池在重量能量密度方面具有優(yōu)勢，因此適合移動使用(例如，手機)，”應用化學系理學院一科初級副教授 Masaaki Sadakiyo 博士說在啟迪。但他說，鋰 (Li) 是一種稀有元素。

“另一方面，Mg 2+電池在體積能量密度和成本方面具有優(yōu)勢(即較少使用稀有元素)，這將有利于固定使用(例如，可再生能源的電力存儲)，”他添加?！翱紤]到鋰在地球上是一種有限的資源，未來世界的大規(guī)模儲能應該被其他電池如Mg 2+所取代?！?

研究人員表示，鎂是一種很有前途的固態(tài)電池材料，因為它的豐富性，而基于 Mg 2+的能源裝置具有高能量密度、高安全性和低成本。然而，Mg 2+的廣泛應用受到其在室溫下在固體中導電性差的限制，他們報告說：“Mg 2+的固態(tài)導電性差，因為二價正離子 (2+) 與其相鄰的負離子發(fā)生強烈的相互作用。固體晶體中的離子，阻礙它們在材料中的遷移。”

TUS 的研究人員相信，他們已經(jīng)解決了該化學物質(zhì)的局限性，即使用基于金屬有機框架 (MOF) 的 Mg 2+導體，該導體在室溫下具有超離子導電性。他們報告說，Mg 2+電解質(zhì)實現(xiàn)了 1.9 × 10 –3 S cm –1的超導率，這是固態(tài)電池實際應用的門檻。

研究人員在《美國化學學會雜志》上發(fā)表的一項研究中分享了他們的發(fā)現(xiàn)。一個關(guān)鍵結(jié)果表明，對于含有 Mg 2+的結(jié)晶固體，電導率是迄今為止報道的最高值，克服了長達數(shù)十年的障礙。

領(lǐng)導“無鋰固態(tài)電池的新型鎂超離子導體”研究的Sadakiyo描述了用作MOF的材料，這些材料具有高度多孔的晶體結(jié)構(gòu)，可以有效地遷移離子。

研究人員將一種“客體分子”乙腈引入 MOF 的孔隙中，從而加速了 Mg 2+的導電性。

“我們的論文與固態(tài)電池的電解質(zhì)(即Mg2+導體)的開發(fā)有關(guān)，”薩達基約說?！拔覀冎苽淞艘环N新的Mg2+導體，并清除了其離子導電機制。我們澄清了限制在某些特定固體材料(即MOF)孔中的Mg2+在某些特定的有機蒸汽下有效地遷移，由此產(chǎn)生的Mg2+電導率足夠高，可以用于電池?！痹搱F隊使用名為 MIL-101 的 MOF 作為框架，將 Mg 2+ 離子封裝在其納米孔中。這產(chǎn)生了一種基于 MOF 的電解質(zhì)，其中 Mg 2+松散堆積，允許二價 Mg 2+離子遷移。然后為了提高離子電導率，他們將電解質(zhì)引入乙腈蒸氣中。對樣品進行交流阻抗測試以測量離子電導率。

其他測量和測試表明，吸附在框架中的乙腈分子允許 Mg 2+離子有效遷移通過固體電解質(zhì)體。這證明了基于 MOF 的 Mg 2+導體是適用于電池應用的材料。

貞明認為，這一突破使該行業(yè)向商業(yè) Mg 2+電池又邁進了一步，盡管在其他領(lǐng)域還需要做更多的工作?！拔覀冋J為我們的發(fā)現(xiàn)有助于從電解質(zhì)部分的角度實現(xiàn) Mg 2+電池，”他說?！叭欢?，正如你所提到的，要實現(xiàn)實用的 Mg 2+電池還存在許多其他挑戰(zhàn)，不僅在電解質(zhì)材料部分，而且在電極材料方面?！?

研究小組計劃通過與另一個實驗室合作，將這種材料應用于“真正的”電池。Sadakiyo 認為商業(yè)用途不需要特定的許可，因為他們沒有獲得專利并且該作品已經(jīng)出版。“然而，目前，我們認為還有很多問題需要更多的研究人員來改進，以實現(xiàn)電池的真正用途。”

該團隊接下來的步驟之一包括創(chuàng)造“其他新型材料，顯示出更高的 Mg 2+電導率、更高的 Mg 2+傳輸數(shù)和更低的有機蒸氣壓，”Sadakiyo 說。該團隊還“有興趣將多價離子(例如，Mg 2+)傳導的基礎科學包含在固體中?！?

在Sadakiyo 看來，至少在10-20 年內(nèi)，我們不會看到市售的商用Mg 2+電池。

除了Sadakiyo，研究小組還包括同樣來自TUS的Yuto Yoshida;東京大學 Teppei Yamada 教授;北海道大學助理教授Takashi Toya和教授Ken-ichi Shimizu。