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下一代电池,《JACS》报道镁电池技术突破

锂离子电池在如今的应用越来越广,手机、平板电脑、智能手表甚至电动汽车上都能看到它们的身影。但是从电化学角度来讲,这种电池的能量密度并非最理想的。用纯锂金属作为阳极,并用硫作为阴极的电池可以得到更高(4倍)的能量密度。


那为什么这种基于纯锂金属的电池并没有得到广泛应用呢?那是因为这种电池在实际使用中有很大的安全风险:其在充放电的循环过程中,在阳极溶解的锂元素在阴极还原析出,会形成锋利的尖刺,称为树突,而这些树突结构最终会把阴阳两极连接起来,并造成电流短路,从而导致起火甚至爆炸。而其他金属(包括镁)如果作为电池阳极,就不会形成树突,因此应该更安全。

手机锂电池爆炸。图片来源:eaonline.com.cn


而且,用纯镁金属代替纯锂金属,并与硫配对成为阴阳两极的电池,其能量密度也很高(与纯锂金属相当),也是商用锂离子电池的4倍左右。这使得镁电池有潜力成为具有高能量存储容量和高安全性的未来电池,尤其是用于驱动电动汽车。

图片来源:Shutterstock


不过,为镁电池找到一个理想的阴极材料并不容易,在2000年,以色列巴伊兰大学的研究人员研发出了第一个可充电的镁电池,但他们所用阴极的能量密度很低(Nature, DOI: 10.1038/35037553)。在2011年,另一个研究团队做出了镁硫电池,提高了阴极的能量密度(Nat. Commun., DOI: 10.1038/ncomms1435)。不过,正如马里兰大学帕克分校的化学工程教授电化学专家王春生(Chunsheng Wang)所言,这种电池并不能算是真正的可充电电池。因为在仅仅两次充电后这种镁硫电池的电容量就降低了大约70%。这是因为硫和镁会发生反应形成不溶于水的硫化物,从而使阴阳两极的活性材料被大量消耗。


于是王春生教授和他的研究团队一起来解决这个难题。他们从锂硫电池的类似机理中得到启发,认为如果在电解质中加入锂离子,就可能与多硫化镁反应使其变得可溶,从而阻止镁阳极材料的损耗。他们于是尝试着在镁硫电池的电解质中加入锂盐,结果正如所料:电池寿命大大延长,现在可以充放电达到30次了。尽管这个记录还远未达到实际应用的程度,但已经比之前大大提高了。

最早研发镁电池的以色列巴伊兰大学的化学家Doron Aurbach说,由于需要加入锂盐,王春生研究团队的镁硫电池的电解质的体积会更大一些,这可能会影响这种电池的整体能量密度。尽管这种电池技术还有不少问题需要进一步解决,但Aurbach认为这个进展非常重要,“为今后的研究开启了一扇大门”。


王春生教授的研究团队还在继续努力优化这种镁电池,他说,“我们要优化电解质,使其充放电次数能够到达100次。”


这项研究成果发表在《JACS》上。


http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5b07820


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