美多家研究機構研發新導體 硒化鈧鎂尖晶石將助力全固態鎂離子電池研發

 

據外媒報道，能源儲備聯合研究中心（Joint Center for Energy Storage Research，JCESR）能源部團隊內的科研人員發現了一款導電性最快的鎂離子固態導體，向固態鎂離子電池的研發及制造又邁進了一大步。

 

通過大量的精確測算，經研究人員驗證在密排架構（close-packed frameworks）下，鎂離子的流動性很大（~?0.01–0.1? mS ?cm-1 at 298?K），在硒化鈧鎂尖晶石（magnesium scandium selenide spinel）內更是如此。該理論預計值還表明，在其他硒化物尖晶石中，鎂離子的流動性可能也很高，這位實現其他固態鎂離子導體乃至研發全固態鎂電池（all-solid-state magnesium battery）開啟了一閃希望之門。

 

美國能源部（DoE）勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）與阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）正致力于研發一款鎂電池，其能量密度要高于鋰電池，但該研究由于缺乏良好的電解液而受阻，因為該電解液會腐蝕電池的其他部件。

 

相較于鋰，鎂有很多優點：安全性更高、礦藏資源豐富、總離子電量是鋰的兩倍、鎂電池的理論容積（theoretical volumetric capacity）要高于傳統的鋰電池。此外，鎂電池的陽極采用了鎂金屬，其能量密度（~?3,830 ?Ah?l?1）比石墨陽極的理論容積能量密度（~?700?Ah? l?1）及金屬（2,062? Ah ?l–1）高。

 

然而，Mg2+及其他多價陽離子（multivalent cations）的流動性不佳，從而對鋰離子、鈉離子電池陰極材料的研發造成影響。Mg流動能力較差，也限制了固態屏蔽涂層（solid barrier coatings）的使用，導致電解液對電極造成腐蝕，無法發揮防護作用。另一方面，全固態鎂電池的研發也受到影響，而諷刺的是，該類電池卻恰恰緩解當今電池電解液的腐蝕問題。

 

該研發團隊還包括麻省理工學院的科研人員，負責提供計算資源（computational resources），而阿貢國家實驗室則提供了硒化鈧鎂尖晶石材料的核心實驗驗證，并就其結構及功能做了書面歸檔。

 

阿貢國家實驗室的研究化驗師（research chemist）還進行了核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）光譜實驗，該類測試旨在利用實驗證明鎂離子或能如理論研究預計的那樣，實現較高的離子流動性。（本文圖片選自阿貢國家實驗室官網）