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美多家研究機(jī)構(gòu)研發(fā)新導(dǎo)體 全固態(tài)鎂離子電池研發(fā)有望突破

   2017-12-04 鋰電世界4150
核心提示:據(jù)外媒報(bào)道,能源儲(chǔ)備聯(lián)合研究中心(Joint Center for Energy Storage Research,JCESR)能源部團(tuán)隊(duì)內(nèi)的科研人員發(fā)現(xiàn)了一款導(dǎo)電性最快的鎂離子固態(tài)導(dǎo)體,向固態(tài)鎂離子電池的研發(fā)及制造又邁進(jìn)了一大步。

據(jù)外媒報(bào)道,能源儲(chǔ)備聯(lián)合研究中心(Joint Center for Energy Storage Research,JCESR)能源部團(tuán)隊(duì)內(nèi)的科研人員發(fā)現(xiàn)了一款導(dǎo)電性最快的鎂離子固態(tài)導(dǎo)體,向固態(tài)鎂離子電池的研發(fā)及制造又邁進(jìn)了一大步。

通過(guò)大量的精確測(cè)算,經(jīng)研究人員驗(yàn)證在密排架構(gòu)(close-packed frameworks)下,鎂離子的流動(dòng)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(nèi)更是如此。該理論預(yù)計(jì)值還表明,在其他硒化物尖晶石中,鎂離子的流動(dòng)性可能也很高,這位實(shí)現(xiàn)其他固態(tài)鎂離子導(dǎo)體乃至研發(fā)全固態(tài)鎂電池(all-solid-state magnesium battery)開(kāi)啟了一閃希望之門。

美國(guó)能源部(DoE)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory)與阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory)正致力于研發(fā)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?yàn)樵撾娊庖簳?huì)腐蝕電池的其他部件。

相較于鋰,鎂有很多優(yōu)點(diǎn):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(tǒng)的鋰電池。此外,鎂電池的陽(yáng)極采用了鎂金屬,其能量密度(~?3,830 ?Ah?l?1)比石墨陽(yáng)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(jià)陽(yáng)離子(multivalent cations)的流動(dòng)性不佳,從而對(duì)鋰離子、鈉離子電池陰極材料的研發(fā)造成影響。Mg流動(dòng)能力較差,也限制了固態(tài)屏蔽涂層(solid barrier coatings)的使用,導(dǎo)致電解液對(duì)電極造成腐蝕,無(wú)法發(fā)揮防護(hù)作用。另一方面,全固態(tài)鎂電池的研發(fā)也受到影響,而諷刺的是,該類電池卻恰恰緩解當(dāng)今電池電解液的腐蝕問(wèn)題。

該研發(fā)團(tuán)隊(duì)還包括麻省理工學(xué)院的科研人員,負(fù)責(zé)提供計(jì)算資源(computational resources),而阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室則提供了硒化鈧鎂尖晶石材料的核心實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并就其結(jié)構(gòu)及功能做了書(shū)面歸檔。

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究化驗(yàn)師(research chemist)還進(jìn)行了核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)光譜實(shí)驗(yàn),該類測(cè)試旨在利用實(shí)驗(yàn)證明鎂離子或能如理論研究預(yù)計(jì)的那樣,實(shí)現(xiàn)較高的離子流動(dòng)性。

 
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