美多家研究機構(gòu)研發(fā)新導(dǎo)體 硒化鈧鎂尖晶石將助力全固態(tài)鎂離子電池研發(fā)

 

據(jù)外媒報道，能源儲備聯(lián)合研究中心（Joint Center for Energy Storage Research，JCESR）能源部團隊內(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)及制造又邁進了一大步。

 

通過大量的精確測算，經(jīng)研究人員驗證在密排架構(gòu)（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(nèi)更是如此。該理論預(yù)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(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(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，因為該電解液會腐蝕電池的其他部件。

 

相較于鋰，鎂有很多優(yōu)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(tǒng)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(fā)造成影響。Mg流動能力較差，也限制了固態(tài)屏蔽涂層（solid barrier coatings）的使用，導(dǎo)致電解液對電極造成腐蝕，無法發(fā)揮防護作用。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題。

 

該研發(fā)團隊還包括麻省理工學(xué)院的科研人員，負責(zé)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(jié)構(gòu)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(yù)計的那樣，實現(xiàn)較高的離子流動性。（本文圖片選自阿貢國家實驗室官網(wǎng)）