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新的阴极和电解质材料大幅提升镁电池的功率密度

作者:中国储能网新闻中心 来源:科技报告与资讯 发布时间:2020-12-02 浏览:次
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长期以来,镁电池一直被认为是一种潜在的更安全和更便宜的锂离子电池替代品,但之前开发的镁电池在功率密度方面受到严重限制。

来自休斯敦大学和北美丰田研究所(TRINA)的研究人员在《Nature Energy》杂志上报告说,他们已经开发出一种新的阴极和电解质(以前是高能镁电池的限制因素)来证明镁电池能够在室温下工作,并提供与锂离子电池相当的功率密度。

随着对电网规模储能和其他应用的需求越来越迫切,研究人员已经在寻找更便宜和更容易获得的锂的替代品。


镁离子的电荷量是锂的两倍,而离子半径相似。因此,镁从电解质中解离和在电极中扩散,这两个在经典夹层阴极中发生的基本过程,在室温下是迟缓的,导致功率性能低下。解决这些难题的方法之一是改善高温下的化学反应。另一种则是通过以复杂的形式存储镁阳离子来规避这些困难。这两种方法都不实用。

休斯敦大学电气和计算机工程学院库伦教授、该论文的共同通讯作者Yan Yao表示,突破性的成果来自于将有机醌阴极和基于硼簇的新型定制电解质溶液相结合。

"我们展示了一种异质烯化氧化还原化学,以创建一种阴极,它不会受到离子解离和固态扩散挑战的阻碍,这些挑战阻碍了镁电池在室温下的高效运行,"Yao说。"这一类新型氧化还原化学避开了固态互溶的需要,同时只储存镁,而不是其复杂的形式,创造了镁电池电极设计的新范式。"

Yao也是UH德州超导中心(TcSUH)的首席研究员,他是多价金属离子电池开发的领导者。他的小组最近在《Nature Energy》上发表了一篇关于更好的多价电池路线图的文章。

TRINA的研究人员在镁电池领域取得了巨大的进步,包括开发了基于硼簇阴离子的高度认可的高效电解质。然而,这些电解质在支持高电池循环率方面存在局限性。

"原则上基于这些弱配位阴离子的电解质有可能支持非常高的循环率,因此我们致力于调整它们的特性,"TRINA材料研究部门首席科学家、共同通讯作者Rana Mohtadi说。"我们通过将注意力转向溶剂来解决这个问题,以减少其与镁离子的结合,并改善体积运输动力学。即使在超高循环速率下,从改性电解质中镀出的镁仍然保持平稳。我们相信,这揭开了镁电池电化学的一个新面纱。"

这项工作在一定程度上是2018年在Joule上描述的早期努力的延续。

"新的电池比以前的镁电池所达到的功率密度高出近两个数量级,"Dong说。"该电池能够继续工作超过200次循环,容量保持率约为82%,显示出很高的稳定性。我们可以通过定制膜的特性,增强中间捕集能力,进一步提高循环稳定性。"

Tutusa表示,这项工作表明了下一步向高性能镁电池发展的方向。

论文标题为《High-power Mg batteries enabled by heterogeneous enolization redox chemistry and weakly coordinating electrolytes》。

关键字:储能电池镁电池

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