研究人员发现新型正极材料 镁电池有望替代锂离子电池

摘要：新型二次镁电池作为高能量密度的二次电池，有能力替代锂离子电池。
据外媒报道，现代生活对电的依赖越来越强，而对电力的不断需求也使得人们对更环保、更便携的能源需求越来越高。尽管风能和太阳能电池板是非常有前景的替代能源，但是由于此类能源的产量会受外部因素影响，因而非常不可靠。因此，从能源配置和经济角度来看，高能量的二次电池（可充电电池或蓄电池）才是未来的发展方向。东京理科大学（Tokyo University of Science）的Idemoto教授带领一组研究员，通过合成一种新型电极材料（金属化合物），成功逆转了离子的化学反应，解决了能源的浪费问题，为下一代可充电镁电池的生产奠定了重要基础。研究人员对该发现非常乐观，表示：“我们合成了一种岩盐，具有作为下一代二次电池正极材料的巨大潜力。”
电池是最受欢迎的便携式能源，由三个基本部件组成 – 阳极、阴极和电解液，该三部分相互发生化学反应，阳极产生额外的电子（氧化），电子被阴极吸收（还原），从而产生氧化还原反应。由于电解液抑制了阳极和阴极之间的电子流动，电子会优先在外部电路流动，从而导致电流或“电”流动。当阴极／阳极中的材料不能再吸收／脱落电子时，电池就“死了”。
但是，有些材料利用反向运行的外部电力，能够逆转此类化学反应，从而使材料回到原来的状态，此类可充电电池即手机、平板电脑和电动汽车等设备中的电池。
东京理科大学的Idemoto教授及其同事合成了取代钴的MgNiO2材料，有潜力成为新型阴极材料。Idemoto教授表示：“我们专注于使用多价镁离子作为可移动离子的可充电镁电池，有望实现能量密度高的下一代可充电电池。”最近，由于镁电池毒性低、容易实现逆转反应，使人们对利用镁作为高能量密度可充电电池的阳极材料产生了极大的兴趣。但是，由于缺乏合适的互补型阴极和电解液，很难实现。
在标准实验室技术的基础上，研究人员利用“反向共沉淀法”合成了此种新型盐，而且可从水溶液中提取此种新型岩盐。为了研究萃取盐的结构和晶格成像，研究人员采用了中子和同步X射线光谱学，换句话说，他们研究了粉末样品在中子或x射线照射下产生的衍射图样，同时，对岩盐种类进行理论计算和模拟，此类岩盐具有正极材料所需的“充放电行为”，使得他们能够根据生成的100个对称不同候选结构中能量最稳定的结构，来确定镁、镍和钴正离子在岩盐结构中的排列。
除了结构分析，研究人员还用三极电池和已知的参考电极在各种条件下进行充放电测试，以了解岩盐作为镁充电电池正极材料的电化学性能，发现可以根据镁的成分和镍／钴的比例来控制电池的特性。进行的结构和电化学分析使研究人员能够展示岩盐可作为正极材料，以及在不同环境下具有可靠性。
目前，二次电池行业主要以锂离子电池为主，在汽车和便携式设备中用于电力存储。但是，此类电池的能量密度和电力存储能力有限。然而，Idemoto教授表示，新型二次镁电池作为高能量密度的二次电池，有能力替代锂离子电池。