比傳統鋰離子電池儲能更高的鎂電池現已問世

德克薩斯州A＆M大學化學家Sarbajit Banerjee領導的一個由多個機構組成的科學家小組已經發現了一種特殊的金屬氧化物鎂電池正極材料，這種材料能夠使研究人員更進一步的研究出了儲能密度更高的電池，與已經普及的鋰離子電池（Li-ion）相比，在安全性、成本和性能方面取得了巨大的進展。

Banerjee在小組的文章中談到（該文章於2月1日發表在Cell Press出版的化學期刊Chem上）：「全球推動的可再生能源發展受到能源存儲媒介的限制。 目前，鋰離子電池技術佔主導地位，但鋰的安全性和長期供應不足仍是嚴重的問題，相比之下，鎂比鋰更豐富，熔點更高，充電時電極表面會變得很光滑，如果能夠確定一個合適的正極，就有可能將能量密度提高五倍以上。」

具有諷刺意味的是，該團隊的未來解決方案取決於重新設計的老式鋰離子陰極材料五氧化二釩的形態，他們證明這種材料能夠可逆插入鎂離子。

Banerjee說：「我們基本上重新配置了原子，為鎂離子的傳播提供了一條不同的途徑，從而獲得了一種可行的正極材料，在電池的放電和充電過程中，它們可以很容易地插入和拔出。」

這種罕見的現象是通過限制相對的不合適的原子位置的鎂離子的位置來實現的，通過設計，基於這種方式可以製備出具有亞穩態的特性的五氧化二釩。這種亞穩態有助於防止鎂離子被困在材料中，促進其電荷儲存能力的完全收集，而且在多次充電循環之後材料的降解可以忽略不計。

Banerjee（德克薩斯A＆M化學系的Davidson科學教授，以及材料科學與工程系的附屬教職人員）多年來一直在努力研究離子嵌入及其關鍵過程，就像鋰和鎂在嵌入式電池內可以嵌入和嵌出其他材料。

通過使用使用世界上最強大的軟X射線顯微鏡 ——加拿大光源的掃描透射X射線顯微鏡（STXM）和X射線發射光束線，以及世界上最高解析度的像差校正透射器——芝加哥伊利諾伊大學（UIC）的電子顯微鏡，Banerjee和來自勞倫斯伯克利國家實驗室、UIC和阿貢國家實驗室的合作者能夠觀察到他們新型五氧化二釩的獨特電子性質，並直接證明了鎂離子嵌入到材料。團隊共同應用了幾十年的材料科學相結合的經驗，解釋了這種新型五氧化二釩優於舊版本以及鋰離子電池的根本原因。

筆記本電腦和手機是鋰離子電池快速發展帶來的許多技術的兩個例子，與鉛酸電池和鎳氫電池的前身相比，這種技術革新了儲能容量和可充電性。但是，由於鋰不僅在攜帶型電子設備中得到廣泛使用，而且越來越多地的需要更大的儲能電池設備來用於電動汽車和電網，因此預計鋰的長期供應將會越來越短缺。此外，正如科學美國人Reuters和Forbes最近廣為流傳的報道所強調的那樣，鋰離子電池是是存在著潛在的危險性的，由於鋰的可燃性和反應性，從而導致由鋰離子驅動設備會發生起 火或爆 炸。

德克薩斯A＆M化學系的研究生說：「除了在消費者的使用上更安全，鎂離子的技術從根本上來說也是很吸引人的，因為每個鎂離子會釋放出兩個電子，而每個鋰離子只釋放一個，這相當於鋰離子電池兩倍的電荷。」NASA空間技術研究員Justin Andrews（這篇文章的第一作者）說： 「這意味著，除了所有其他的考慮，如果你可以在材料中儲存和鋰一樣多的鎂，你幾乎馬上就能使電池容量加倍。」

容量加倍，麻煩加倍

但是，在各種問題被排除在外之後，就他們之前所有的優勢而言，鎂電池好得有點不真實（20世紀90年代首次提出鎂電池）。目前，主要存在的問題是缺少合適的陰極或正極——也就是在電池放電期間鎂離子進入電池，以便為電子設備供電，然後在充電期間退出的地方。

該研究的合作者UIC化學家Jordi Cabana說：「事實上，鎂離子最令人興奮的事情也就是它們在電池應用中儲存兩倍電量，同時這也是也是最大挑戰的基礎。鎂離子的電荷越高，使得它們與周圍的原子粘得越緊。」

Banerjee說：「換句話說，鎂離子在穿過正極材料內的路徑時受到了阻礙。他們遲緩的運動使得製造可行的鎂電池變得困難。」

Andrews解釋說：「在許多結構中，這些相互作用中的一些是非常有利的，這意味著鎂很樂意在這些特定的點坐下來待一會兒。在我們的材料中，當鎂在晶格中移動時，會感到「沮喪」，因為它遇到了許多不太理想的環境。從這個意義上說，只能繼續前進，去改善它的容量和擴散」。

該研究團隊的國家科學基金會資助的研究項目還分別有兩名現任和前任德克薩斯州A＆M研究生Abhishek Parija和Peter M. Marley。伯克利實驗室分子鑄造廠的設備總監David Prendergast是美國能源部納米科學研究用戶機構的助理，他幫助德克薩斯A＆M團隊設計和解釋了他們的計算，這些計算部分由Fakra使用伯克利實驗室的高級光源以及阿貢國家實驗室先進光子源收集的結構數據進行了實驗驗證。並且他還與UIC物理學家Robert F. Klie和物理研究生Arijita Mukherjee合作，收集了五氧化二釩新形式的原子分辨圖像，並顯示了鎂在材料內插入的直接證據。這次測量證實了電池充放電時的可逆性，並證實了正極材料的穩固性。另外這次測量參與的同時還有Cabana研究室和前Cabana組成員Hyun Deog Yoo。

Andrews說：「從文章上來說，鎂電池是非常理想的，因為它能滿足更高的能量密度，解決了一些關鍵的研究問題。不幸的是，消費者先入為主最先發現了鋰離子電池，包括最基本水平上的成本，安全性和性能，但是從鋰離子技術向鎂離子技術的轉變並不簡單，在設計鎂離子正極時遇到的許多問題阻礙了更可持續和更安全的電池的發展。」

努力實現更安全的能源未來

Andrews說，研究團隊的研究成果標誌著該領域的一個重要轉折點，因為它代表了解決正極問題的重大進展，同時也凸顯了使用像五氧化二釩這種新形式的更具想像力的亞穩態材料的固有優勢。但他不得不承認在90年代這個特殊的趨勢回歸之前還有很多工作要做。

Andrews 補充道：「雖然這項研究提供了很多的見解，但在鎂電池成為現實之前還有其他一些其它的基本問題需要克服，儘管如此，這項工作使鎂電池更接近現實——即電池將更便宜，更輕便和更安全，以方便電動汽車的大面積使用，並儲存由太陽和風力所產生的能量。」

文章來自sciencedaily，原文標題為Powerful battery created，由材料科技在線團隊翻譯整理

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