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美國發(fā)現(xiàn)制造可充無水鎂電池新方法

鉅大LARGE  |  點擊量:897次  |  2019年02月27日  

美國能源部可再生能源實驗室(NREL)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種制造可充電無水鎂電池的新方法。該論文近期刊登在NatureChemistry上并引起了轟動,論文詳細(xì)闡述了科學(xué)家開發(fā)鎂在無腐蝕性碳基電解質(zhì)中發(fā)生可逆化學(xué)反應(yīng)的過程,并且該過程通過了接下來的測試。比起鋰離子電池,該技術(shù)具有更有潛力的優(yōu)勢——其中較大的優(yōu)勢是具有更高的能量密度、更強的穩(wěn)定性和更低的成本。


Seoung-BumSon、SteveHarvey、AndrewNorman和ChunmeiBan是NREL的研究人員,同時也是NatureChemistry白皮書《碳酸鹽中人造可逆的鎂化學(xué)反應(yīng)》的合作者,他們利用飛行時間二次離子質(zhì)譜儀來輔助自己的研究工作。該設(shè)備可以幫助他們在納米尺度上研究材料退化和失效機制。


ChunmeiBan表示:“作為科學(xué)家,我們總是在想接下來會發(fā)生什么?!彼J(rèn)為,在市場上占主導(dǎo)地位的鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)觸摸到了技術(shù)上的天花板,因此,迫切需要探索新的化學(xué)電池技術(shù),以更低的成本提供更多的能量。


Seoung-Bum表示:“這一發(fā)現(xiàn)將為鎂電池的設(shè)計提供新的途徑。”當(dāng)離子從負(fù)極流向正極時,電化學(xué)反應(yīng)就會使電池產(chǎn)生能量。對于鋰電池來說,電解液是含有鋰離子的鹽溶液。而電池技術(shù)的關(guān)鍵在于化學(xué)反應(yīng)必須是可逆的,只有這樣電池才能實現(xiàn)充電過程。


理論上講,同體積的鎂電池所能儲存的能量幾乎是鋰離子電池的兩倍。但是之前的研究遇到了一個難題:傳統(tǒng)的碳酸鹽電解質(zhì)會因為化學(xué)反應(yīng)在鎂表面形成一道屏障,這會阻礙電池的充電過程。鎂離子可以通過高腐蝕性的液體電解質(zhì)流向相反的方向,但這也打消了高壓鎂電池的可能性。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

而為了解決這個難題,研究人員開發(fā)了一種由聚丙烯腈和鎂離子鹽組成的人工固體電解質(zhì)夾層,這可以保護鎂陽極表面。而終這種受保護陽極的性能也得到了改善。


科學(xué)家們組裝了標(biāo)準(zhǔn)電池,證明了人工中間相的有效性,而終的結(jié)果也令人十分欣喜,鎂在具有保護陽極的電池的碳酸鹽電解質(zhì)中發(fā)生了可逆化學(xué)反應(yīng),這一現(xiàn)象是鎂電池領(lǐng)域的首次發(fā)現(xiàn)。與沒有保護陽極的原型電池相比,帶有保護陽極的鎂電池可以提供更多的能量,并且可以維持周期性的充放電過程。此外,該科研小組還充分展示了鎂電池的充電能力,這也首次為解決陽極/電解質(zhì)不相容問題以及離子離開陰極受到限制的問題提供了解決方法。


與鋰相比,鎂的獲取范圍更廣,并且與鋰電池這種更成熟的電池技術(shù)相比,鎂電池還具有其他的潛在優(yōu)勢。首先,鎂可以釋放兩個電子,這是鋰的兩倍,這使得它可以產(chǎn)生幾乎兩倍于鋰的能量。其次,鎂電池中沒有枝晶的生長,這種枝晶很容易導(dǎo)致短路,從而導(dǎo)致過熱甚至事故的發(fā)生,這種特質(zhì)使得鎂電池比鋰離子電池更加安全。

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