作為下一代電池的能量載體，鎂是很有前途的候選者。然而，鎂電池若要替代鋰離子電池，還需提高循環(huán)性能和容量。為此，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于一種具有尖晶石結(jié)構(gòu)的新型正極材料。經(jīng)過(guò)廣泛的表征和電化學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)了一種特殊的成分，可以為高性能鎂充電電池打開(kāi)大門(mén)。
就多種應(yīng)用的整體性能而言，鋰離子電池一直是無(wú)與倫比的，從便攜式電子產(chǎn)品到蜂窩基站的各種應(yīng)用都證明了這一點(diǎn)。然而，它們有一些難以忽視的重要缺點(diǎn)。一方面，鋰相當(dāng)昂貴，而且以極快的速度開(kāi)采這一事實(shí)也于事無(wú)補(bǔ)。此外，鋰離子電池的能量密度不足以賦予電動(dòng)汽車(chē)和重型機(jī)械自主權(quán)。這些擔(dān)憂，加上電池在被刺破或處于高溫時(shí)非常不安全的事實(shí)，促使科學(xué)家們尋找替代技術(shù)。
鎂充電電池因其能量密度、安全性和成本而顯示出對(duì)綠色未來(lái)的巨大希望。但缺乏高性能正極材料阻礙了它們的發(fā)展。現(xiàn)在，一個(gè)研究小組已經(jīng)開(kāi)發(fā)出液態(tài)硫/硫化物復(fù)合陰極，可以實(shí)現(xiàn)高倍率鎂電池。鎂可充電電池 (MRB) 以高容量鎂金屬作為負(fù)極材料，由于其能量密度、安全性和成本，是下一代電池的有前途的候選者。然而，高性能正極材料的缺乏阻礙了它們的發(fā)展。與鋰離子對(duì)應(yīng)物一樣，過(guò)渡金屬氧化物是 MRB 中的主要陰極材料。然而，鎂離子在氧化物內(nèi)部的緩慢擴(kuò)散造成了一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。為了克服這個(gè)問(wèn)題，一些研究人員探索了硫基材料。但是用于 MRB 的硫基正極有嚴(yán)重的局限性：低電子電導(dǎo)率、固體 Mg-S 化合物中的 Mg 擴(kuò)散緩慢以及多硫化物在電解質(zhì)中的溶解度，這導(dǎo)致低倍率性能和循環(huán)性能差。
在作為可充電電池的有效能量載體進(jìn)行測(cè)試的各種元素中，鎂 (Mg) 是一個(gè)很有前途的候選元素。除了安全性和豐富性外，Mg 還具有實(shí)現(xiàn)更高電池容量的潛力。但是，首先需要解決一些問(wèn)題。這些包括鎂離子提供的低電壓窗口，以及在鎂電池材料中觀察到的不可靠的循環(huán)性能。
為了解決這些問(wèn)題，由日本東京理科大學(xué)副校長(zhǎng) Yasushi Idemoto 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)一直在尋找用于鎂電池的新型陰極材料。特別是，他們一直在尋找提高基于 MgV(V：釩)系統(tǒng)的正極材料性能的方法。幸運(yùn)的是，正如 2022 年 12 月 8 日在線發(fā)布并于 2023 年 1 月 1 日發(fā)表在電分析化學(xué)雜志第 928 卷上的最新研究報(bào)告所述，他們現(xiàn)在找到了通往成功的正確道路。
研究人員專(zhuān)注于 Mg 1.33 V 1.67 O 4系統(tǒng)，但用錳 (Mn) 代替了一定量的釩，獲得了分子式為 Mg1.33V1.67?xMnxO4 的材料，其中x為 0.1 至 0.4。雖然該系統(tǒng)具有很高的理論容量，但需要分析有關(guān)其結(jié)構(gòu)、循環(huán)性和陰極性能的更多細(xì)節(jié)，以了解其實(shí)際用途。因此，研究人員使用多種標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)對(duì)合成的陰極材料進(jìn)行了表征。
首先，他們使用 X 射線衍射和吸收以及透射電子顯微鏡研究了 Mg1.33V1.67?xMnxO4 化合物的組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子分布和粒子形態(tài)。分析表明，Mg1.33V1.67?xMnxO4 具有尖晶石結(jié)構(gòu)，成分非常均勻。接下來(lái)，研究人員進(jìn)行了一系列電化學(xué)測(cè)量，以評(píng)估 Mg1.33V1.67?xMnxO4 的電池性能，使用不同的電解質(zhì)并測(cè)試在不同溫度下產(chǎn)生的充電/放電性能。
該團(tuán)隊(duì)觀察到這些陰極材料的高放電容量——尤其是 Mg 1.33 V 1.57 Mn 0.1 O 4——但它也因循環(huán)次數(shù)而顯著變化。為了解原因，他們分析了材料中釩原子附近的局部結(jié)構(gòu)。“看起來(lái)特別穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)以及釩的大量電荷補(bǔ)償導(dǎo)致我們觀察到 Mg 1.33 V 1.57 Mn 0.1 O 4的優(yōu)異充放電性能，”Idemoto 教授說(shuō)。“綜上所述，我們的結(jié)果表明 Mg 1.33 V 1.57 Mn 0.1 O4可能是鎂充電電池的良好候選正極材料。”
Idemoto 教授對(duì)目前的研究結(jié)果感到滿意，并對(duì)未來(lái)充滿希望，他總結(jié)說(shuō)：“通過(guò)未來(lái)的研究和開(kāi)發(fā)，由于前者具有更高的能量密度，鎂電池可能會(huì)超過(guò)鋰離子電池。”
事實(shí)上，替代的 MgV 系統(tǒng)最終可能會(huì)導(dǎo)致期待已久的下一代電池。讓我們希望能夠滿足我們對(duì)可充電電池需求的備受期待的鋰替代品早日實(shí)現(xiàn)!
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