美多家研究機(jī)構(gòu)研發(fā)新導(dǎo)體 硒化鈧鎂尖晶石將助力全固態(tài)鎂離子電池研發(fā)

據(jù)外媒報(bào)道，能源儲(chǔ)備聯(lián)合研究中心(Joint Center for Energy Storage Research，JCESR)能源部團(tuán)隊(duì)內(nèi)的科研人員發(fā)現(xiàn)了一款導(dǎo)電性最快的鎂離子固態(tài)導(dǎo)體，向固態(tài)鎂離子電池的研發(fā)及制造又邁進(jìn)了一大步。

通過大量的精確測(cè)算，經(jīng)研究人員驗(yàn)證在密排架構(gòu)(close-packed frameworks)下，鎂離子的流動(dòng)性很大(~ 0.01–0.1 mS cm-1 at 298 K)，在硒化鈧鎂尖晶石(magnesium scandium selenide spinel)內(nèi)更是如此。該理論預(yù)計(jì)值還表明，在其他硒化物尖晶石中，鎂離子的流動(dòng)性可能也很高，這位實(shí)現(xiàn)其他固態(tài)鎂離子導(dǎo)體乃至研發(fā)全固態(tài)鎂電池(all-solid-state magnesium battery)開啟了一閃希望之門。

美國(guó)能源部(DoE)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory)與阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory)正致力于研發(fā)一款鎂電池，其能量密度要高于鋰電池，但該研究由于缺乏良好的電解液而受阻，因?yàn)樵撾娊庖簳?huì)腐蝕電池的其他部件。

相較于鋰，鎂有很多優(yōu)點(diǎn)：安全性更高、礦藏資源豐富、總離子電量是鋰的兩倍、鎂電池的理論容積(theoretical volumetric capacity)要高于傳統(tǒng)的鋰電池。此外，鎂電池的陽(yáng)極采用了鎂金屬，其能量密度(~ 3,830 Ah l 1)比石墨陽(yáng)極的理論容積能量密度(~ 700 Ah l 1)及金屬(2,062 Ah l–1)高。

然而，Mg2+及其他多價(jià)陽(yáng)離子(multivalent cations)的流動(dòng)性不佳，從而對(duì)鋰離子、鈉離子電池陰極材料的研發(fā)造成影響。Mg流動(dòng)能力較差，也限制了固態(tài)屏蔽涂層(solid barrier coatings)的使用，導(dǎo)致電解液對(duì)電極造成腐蝕，無(wú)法發(fā)揮防護(hù)作用。另一方面，全固態(tài)鎂電池的研發(fā)也受到影響，而諷刺的是，該類電池卻恰恰緩解當(dāng)今電池電解液的腐蝕問題。

該研發(fā)團(tuán)隊(duì)還包括麻省理工學(xué)院的科研人員，負(fù)責(zé)提供計(jì)算資源(computational resources)，而阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室則提供了硒化鈧鎂尖晶石材料的核心實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并就其結(jié)構(gòu)及功能做了書面歸檔。

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究化驗(yàn)師(research chemist)還進(jìn)行了核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)光譜實(shí)驗(yàn)，該類測(cè)試旨在利用實(shí)驗(yàn)證明鎂離子或能如理論研究預(yù)計(jì)的那樣，實(shí)現(xiàn)較高的離子流動(dòng)性。