镁电池新突破 纳米结构阴极制造及对新电解液的研究使其效率变得更高

　　镁电池为现代生活的安全供电提供了希望 - 与传统的锂离子电池不同，它们不易燃爆，只不过目前这种电池存储能量的能力还有待提高。

　　研究人员8月24日在“自然通讯”杂志上报道发现电池阴极的新设计，大大增加了镁电池的存储容量，并打破了在将镁插入主体之前必须破坏氯化镁键的常规手段。

　　休斯顿大学电气与计算机工程副教授阎耀，论文的第一作者Yan Yao说：“我们正在进行一项新工作，就是结合纳米结构阴极和对镁电解质有的新认识。”

　　项工作首先由姚博士和博士后研究员Hyun DeogYoo于2014年设想; 该项目过程跨越了好几年，涉及三所大学和三个国家实验室的科学家，从实验和理论两个方面进行了工作。

　　这篇文章的第一作者Yoo说：“众所周知镁离子是很难插入主体的，首先，打破氯化镁键是非常困难的，不仅如此，主机生产的镁离子在这个方面极其缓慢，总体上降低了电池的使用效率。”

　　新电池通过将一氯化镁放入主体如二硫化钛来储存能量。姚说，通过保留氯化镁键，阴极显示出比传统镁快得多的扩散特性。

　　研究人员报告说，新电池的存储容量为400mAh/g，而较早的镁电池为100mAh/g。姚先生说，商业锂离子电池的阴极容量约为200mAh/g，他也是德克萨斯超导体中心的首席研究员。新电池的电压保持在一伏左右。锂电池的电压则为三到四伏。

　　高电压，加上其高能量密度，使锂离子电池成为标准工业电池。但是锂电池很昂贵，并且其内部结构可能会被破坏，这种状态称为枝晶生长，这可能导致电池发生火灾。作为地球丰富的资源，镁较便宜，而且不会形成枝晶。然而，到目前为止，由于需要更好的阴极（电流从其流动的电极）和更有效的电解质，阴极和阳极之间的流过的离子电荷被介质阻止。

　　这一工作提供了解决思路

Yoo说，问题的关键是要扩大二硫化钛插层，以便插入氯化镁-一个称之为插层的四步法，而不是破坏氯化镁键并单独插入镁。保留氯化镁键使阴极可以储存的电荷翻倍。

　　一氯化镁分子太大，不能用常规方法插入二硫化钛。在早期工作的基础上，研究人员通过使用有机“支柱”将二硫化钛的差距扩大了300％，创造了一个开放的纳米结构。姚说，这种开放的支柱很小，只有0.57到1.8纳米左右，但是它们可以让镁阴极插入到二氧化钛中去。

　　研究人员写道：“联合理论建模，光谱分析和电化学研究揭示了一氯化镁阳离子的快速扩散动力学，而不会发生氯化镁键的断裂。即使在室温下，大容量也具有优异的速率和循环性能，为多价离子电池的各种有效插入主体开辟了可能性。”

　　姚说。：“我们希望这是一个总体战略，在更高电压的主体中插入各种多原子离子，我们最终旨在以更低的价格创造更高能量的电池，特别是对于电动汽车来说。”