研究人员提高了室温下镁离子的电导率,为镁离子电池的下一步开发铺平了道路。
东京理科大学(TUS) 的研究人员开发出一种新型电解质材料,可提高室温下镁离子的导电性,为下一步开发镁离子 (Mg 2+ ) 电池铺平道路。研究人员表示,作为锂离子的低成本替代品,Mg 2+电池由于室温下固体中镁离子的导电性差而面临巨大障碍。
“锂离子电池在重量能量密度方面具有优势,因此适合移动使用(例如,手机),”应用化学系理学院一科初级副教授 Masaaki Sadakiyo 博士说在启迪。但他说,锂 (Li) 是一种稀有元素。
“另一方面,Mg 2+电池在体积能量密度和成本方面具有优势(即较少使用稀有元素),这将有利于固定使用(例如,可再生能源的电力存储),”他添加。“考虑到锂在地球上是一种有限的资源,未来世界的大规模储能应该被其他电池如Mg 2+所取代。”
研究人员表示,镁是一种很有前途的固态电池材料,因为它的丰富性,而基于 Mg 2+的能源装置具有高能量密度、高安全性和低成本。然而,Mg 2+的广泛应用受到其在室温下在固体中导电性差的限制,他们报告说:“Mg 2+的固态导电性差,因为二价正离子 (2+) 与其相邻的负离子发生强烈的相互作用。固体晶体中的离子,阻碍它们在材料中的迁移。”
TUS 的研究人员相信,他们已经解决了该化学物质的局限性,即使用基于金属有机框架 (MOF) 的 Mg 2+导体,该导体在室温下具有超离子导电性。他们报告说,Mg 2+电解质实现了 1.9 × 10 –3 S cm –1的超导率,这是固态电池实际应用的门槛。
研究人员在《美国化学学会杂志》上发表的一项研究中分享了他们的发现。一个关键结果表明,对于含有 Mg 2+的结晶固体,电导率是迄今为止报道的最高值,克服了长达数十年的障碍。
领导“无锂固态电池的新型镁超离子导体”研究的Sadakiyo描述了用作MOF的材料,这些材料具有高度多孔的晶体结构,可以有效地迁移离子。
研究人员将一种“客体分子”乙腈引入 MOF 的孔隙中,从而加速了 Mg 2+的导电性。
“我们的论文与固态电池的电解质(即Mg2+导体)的开发有关,”萨达基约说。“我们制备了一种新的Mg2+导体,并清除了其离子导电机制。我们澄清了限制在某些特定固体材料(即MOF)孔中的Mg2+在某些特定的有机蒸汽下有效地迁移,由此产生的Mg2+电导率足够高,可以用于电池。”该团队使用名为 MIL-101 的 MOF 作为框架,将 Mg 2+ 离子封装在其纳米孔中。这产生了一种基于 MOF 的电解质,其中 Mg 2+松散堆积,允许二价 Mg 2+离子迁移。然后为了提高离子电导率,他们将电解质引入乙腈蒸气中。对样品进行交流阻抗测试以测量离子电导率。
其他测量和测试表明,吸附在框架中的乙腈分子允许 Mg 2+离子有效迁移通过固体电解质体。这证明了基于 MOF 的 Mg 2+导体是适用于电池应用的材料。
贞明认为,这一突破使该行业向商业 Mg 2+电池又迈进了一步,尽管在其他领域还需要做更多的工作。“我们认为我们的发现有助于从电解质部分的角度实现 Mg 2+电池,”他说。“然而,正如你所提到的,要实现实用的 Mg 2+电池还存在许多其他挑战,不仅在电解质材料部分,而且在电极材料方面。”
研究小组计划通过与另一个实验室合作,将这种材料应用于“真正的”电池。Sadakiyo 认为商业用途不需要特定的许可,因为他们没有获得专利并且该作品已经出版。“然而,目前,我们认为还有很多问题需要更多的研究人员来改进,以实现电池的真正用途。”
该团队接下来的步骤之一包括创造“其他新型材料,显示出更高的 Mg 2+电导率、更高的 Mg 2+传输数和更低的有机蒸气压,”Sadakiyo 说。该团队还“有兴趣将多价离子(例如,Mg 2+)传导的基础科学包含在固体中。”
在Sadakiyo 看来,至少在10-20 年内,我们不会看到市售的商用Mg 2+电池。
除了Sadakiyo,研究小组还包括同样来自TUS的Yuto Yoshida;东京大学 Teppei Yamada 教授;北海道大学助理教授Takashi Toya和教授Ken-ichi Shimizu。