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

這項研究發(fā)表在今天的《納米尺度》(Nanoscale)雜志上，報告了一種新的、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展。到目前為止，很少有無機材料顯示出可逆的鎂的去除和插入，這是鎂電池工作的關鍵。

“鋰離子技術已經(jīng)達到了它的極限，所以尋找其他化學物質(zhì)來制造容量更大、設計更薄的電池是很重要的，”聯(lián)合首席作者伊恩·約翰遜博士(倫敦大學學院化學)說。

“鎂電池技術一直被認為是一種可能的解決方案，可以提供更持久的手機和電動汽車電池，但獲得一種實用的材料作為正極一直是個挑戰(zhàn)。”

限制鋰離子電池的一個因素是陽極。出于安全考慮，鋰離子電池必須使用低容量碳陽極，因為使用純鋰金屬陽極會導致危險的短路和火災。

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

先前使用計算模型的研究預測氧化鎂鉻(MgCr2O4)可能是鎂電池正極的一個有前途的候選者。

受到這項工作的啟發(fā)，倫敦大學學院的研究人員在一個非常快速和相對低溫的反應中生產(chǎn)了一種~5nm，無序的氧化鎂鉻材料。

伊利諾伊大學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行了比較。

他們使用了一系列不同的技術，包括x射線衍射、x射線吸收光譜和尖端電化學方法，來觀察這兩種材料在測試細胞中鎂活性時的結構和化學變化。

這兩種晶體的行為非常不同，無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有這種活性。

“這表明電池的未來可能在于無序和非常規(guī)的結構，這是一個令人興奮的前景，我們以前從未探索過，因為無序通常會引發(fā)電池材料的問題。”它強調(diào)了研究其他結構缺陷材料是否可能為可逆電池化學提供更多機會的重要性。

“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構的無序為重要化學反應的發(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散途徑，讓細胞易于充電和放電——但我們所看到的情況表明，無序的結構引入了新的、可接近的擴散途徑，需要進一步研究，”芝加哥伊利諾伊大學(UniversityofIllinoisatChicago)教授喬迪?卡巴納(JordiCabana)表示。

這些結果是英國和美國研究人員之間令人興奮的新合作的產(chǎn)物。倫敦大學學院和芝加哥伊利諾伊大學打算將他們的研究擴展到其他無序的、高表面積的材料上，以進一步提高鎂的儲存能力，并開發(fā)出一種實用的鎂電池。

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