休斯頓大學和北美豐田研究所開發可與鋰離子電池競爭的大功率鎂電池

據《Nature Energy》報道，休斯頓大學和北美豐田研究所(TRINA)的研究人員開發了一種新的正極和電解質，可使鎂電池在常溫下使用，且功率密度與鋰離子電池相當。長期以來，鎂電池被認為是一種潛在的更安全和更便宜的鋰離子電池的替代品，但以前的鎂電池受正極和電解質的限制，難以實現大功率。雖然鎂離子半徑與鋰離子相近，但鎂離子電荷是鋰的兩倍，常溫下鎂從電解質中遷出并在電極中擴散(典型插層電極中發生的兩個基本過程)緩慢，功率較小。解決這個問題的方法之一是通過提高電池溫度，加速化學反應。另一種方法是采用絡合物形式儲存陽離子，但這兩種方法都不實用。

休斯頓大學電氣和計算機工程教授Yan Yao表示，有機醌作為正極，一種新的特殊硼作為電解質溶液，兩者相結合帶來突破性結果。通常離子遷移和在固體中的擴散不利于鎂離子電池的常溫運行。為了生產一種不受離子遷移和固體內擴散影響的電極，他們對烯醇的非均相氧化還原化學反應進行了研究。這類新的無需固態插層(僅限于儲存非絡合態的鎂)的氧化還原化學反應，為鎂電池電極設計開創了新領域。

TRINA研究人員在鎂電池領域已取得了巨大進步，包括公認的高效硼簇陰離子電解質的開發。但這些電解質對于提高電池循環壽命沒有什么用處。有跡象表明，這些由弱配位陰離子構成的電解質，從原理上講有可能提供很長的循環壽命，因此他們將工作重點放在調整電解質的化學性質上。為了降低與鎂離子的結合力，提高鎂離子的宏觀傳輸能力，他們將研究重點轉向了溶劑。經過研究發現，即使采用很大的充電電流(20 mA/cm)，改性后的電解質鎂的遷移仍然平穩。這一發現開創了鎂電池電化學的新領域。這種新鎂電池的功率密度(30.4 kW/kg)比過去的鎂電池高兩個數量級。經過連續200多次循環試驗，電池容量仍保留約82%，顯示出高穩定性。并且，可通過調整電解液性質增強控制中間產物能力，進一步提高循環穩定性。