倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)和伊利諾伊大學(xué)(UniversityofIllinois)芝加哥分校的研究人員發(fā)現(xiàn)，微小、無(wú)序的氧化鎂顆粒可能是新型鎂電池儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵，與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，這種電池的儲(chǔ)能能力可能有所提高。

這項(xiàng)研究發(fā)表在今天的《納米尺度》(Nanoscale)雜志上，報(bào)告了一種新的、可伸縮的方法，用于制造一種可以在高壓下可逆存儲(chǔ)鎂離子的材料，而這正是正極的特征。

雖然還處于早期階段，但研究人員表示，這是邁向鎂基電池的重大進(jìn)展。到目前為止，很少有無(wú)機(jī)材料顯示出可逆的鎂的去除和插入，這是鎂電池工作的關(guān)鍵。

“鋰離子技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了它的極限，所以尋找其他化學(xué)物質(zhì)來(lái)制造容量更大、設(shè)計(jì)更薄的電池是很重要的，”聯(lián)合首席作者伊恩·約翰遜博士(倫敦大學(xué)學(xué)院化學(xué))說(shuō)。

“鎂電池技術(shù)一直被認(rèn)為是一種可能的解決方案，可以提供更持久的手機(jī)和電動(dòng)汽車(chē)電池，但獲得一種實(shí)用的材料作為正極一直是個(gè)挑戰(zhàn)。”

限制鋰離子電池的一個(gè)因素是陽(yáng)極。出于安全考慮，鋰離子電池必須使用低容量碳陽(yáng)極，因?yàn)槭褂眉冧嚱饘訇?yáng)極會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的短路和火災(zāi)。

相比之下，鎂金屬陽(yáng)極要安全得多，因此，將鎂金屬與功能良好的正極材料結(jié)合使用，可以使電池更小，儲(chǔ)存更多的能量。

先前使用計(jì)算模型的研究預(yù)測(cè)氧化鎂鉻(MgCr2O4)可能是鎂電池正極的一個(gè)有前途的候選者。

受到這項(xiàng)工作的啟發(fā)，倫敦大學(xué)學(xué)院的研究人員在一個(gè)非常快速和相對(duì)低溫的反應(yīng)中生產(chǎn)了一種~5nm，無(wú)序的氧化鎂鉻材料。

伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的研究人員隨后將其鎂活性與一種寬約7納米的常規(guī)有序氧化鎂鉻材料進(jìn)行了比較。

他們使用了一系列不同的技術(shù)，包括x射線衍射、x射線吸收光譜和尖端電化學(xué)方法，來(lái)觀察這兩種材料在測(cè)試細(xì)胞中鎂活性時(shí)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)變化。

這兩種晶體的行為非常不同，無(wú)序的顆粒顯示出可逆的鎂萃取和插入，而在較大的有序晶體中沒(méi)有這種活性。

“這表明電池的未來(lái)可能在于無(wú)序和非常規(guī)的結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)令人興奮的前景，我們以前從未探索過(guò)，因?yàn)闊o(wú)序通常會(huì)引發(fā)電池材料的問(wèn)題。”它強(qiáng)調(diào)了研究其他結(jié)構(gòu)缺陷材料是否可能為可逆電池化學(xué)提供更多機(jī)會(huì)的重要性。

“我們發(fā)現(xiàn)，與有序晶體相比，晶體表面積的增加以及晶體結(jié)構(gòu)的無(wú)序?yàn)橹匾瘜W(xué)反應(yīng)的發(fā)生提供了新的途徑。”

傳統(tǒng)上，人們希望秩序能提供清晰的擴(kuò)散途徑，讓細(xì)胞易于充電和放電——但我們所看到的情況表明，無(wú)序的結(jié)構(gòu)引入了新的、可接近的擴(kuò)散途徑，需要進(jìn)一步研究，”芝加哥伊利諾伊大學(xué)(UniversityofIllinoisatChicago)教授喬迪?卡巴納(JordiCabana)表示。

這些結(jié)果是英國(guó)和美國(guó)研究人員之間令人興奮的新合作的產(chǎn)物。倫敦大學(xué)學(xué)院和芝加哥伊利諾伊大學(xué)打算將他們的研究擴(kuò)展到其他無(wú)序的、高表面積的材料上，以進(jìn)一步提高鎂的儲(chǔ)存能力，并開(kāi)發(fā)出一種實(shí)用的鎂電池。

該項(xiàng)目的資金由美國(guó)能源部創(chuàng)新中心能源存儲(chǔ)研究聯(lián)合中心和工程和物理科學(xué)研究理事會(huì)的榨汁能源中心提供。