重大突破！科研人員攻克鎂電池技術難關

NREL科研人員攻克可充電鎂電池難關示意圖

圖片來源：John Frenzl

美國能源部可再生能源實驗室（NREL）的科學家們開發了一種製造可充電無水鎂電池的新方法。

近期刊登在Nature Chemistry上的一篇論文引起了轟動，該篇論文詳細闡述了科學家開發鎂金屬在無腐蝕性碳基電解質中發生可逆化學反應的過程，並且該過程通過了接下來的測試。比起鋰離子電池，該技術具有更有潛力的優勢——其中最大的優勢是具有更高的能量密度、更強的穩定性和更低的成本。

Seoung-Bum Son, Steve Harvey, Andrew Norman 和 Chunmei Ban是NREL的研究人員，同時也是Nature Chemistry 白皮書《碳酸鹽中人造可逆的鎂化學反應》的合著者，他們利用飛行時間二次離子質譜儀來輔助自己的研究工作。該設備可以幫助他們在納米尺度上研究材料退化和失效機制。

NREL材料科學部門的科學家、《碳酸鹽中人造可逆的鎂化學反應》的作者之一Chunmei Ban表示：「作為科學家，我們總是在想接下來會發生什麼。」她認為在市場上佔主導地位的鋰離子電池技術已經觸摸到了技術上的天花板，因此迫切需要探索新的化學電池技術，以更低的成本提供更多的能量。

NREL前博士後，現科學家科學家，該論文的第一作者Seoung-Bum表示：「這一發現將為鎂電池的設計提供新的途徑。」其他合著者則是Steve Harvey, Adam Stokes, 和 Andrew Norman。當離子從負極流向正極時，電化學反應就會使電池產生能量。對於鋰電池來說，電解液是含有鋰離子的鹽溶液。而電池技術的關鍵在於化學反應必須是可逆的，只有這樣電池才能實現充電過程。

理論上講，同體積的鎂（Mg）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：傳統的碳酸鹽電解質會因為化學反應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流向相反的方向，但這也打消了高壓鎂電池的可能性。

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

上文中的插圖顯示了NREL的科學家是如何解決可充電鎂電池問題的。

科學家們組裝了標準電池，證明了人工中間相的有效性，而最終的結果也令人十分欣喜：Mg在具有保護陽極的電池的碳酸鹽電解質中發生了可逆化學反應，這一現象是鎂電池領域的首次發現。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，並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，鎂的獲取範圍更廣，並且與鋰電池這種更成熟的電池技術相比，鎂電池還具有其他的潛在優勢。首先，鎂可以釋放兩個電子，這是鋰的兩倍，這使得它可以產生幾乎兩倍於鋰的能量。其次，鎂電池中沒有枝晶的生長，這種枝晶很容易導致短路，從而導致過熱甚至事故的發生，這種特質使得鎂電池比鋰離子電池更加安全。

文章來自Tech Plore，原文題目為Research overcomes major technical obstacles in magnesium-metal batteries，由材料科技在線匯總整理。

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