镁离子固态电池：比锂更安全、更高效

现在承诺更高能量密度且不会爆炸的固态电池还为时过早。然而，储能研究联合中心的研究人员已经开发出一种镁离子固态导体，这对于制造具有更高储能容量的不易燃镁电池大有帮助。

锂电池爆炸的原因是，它们由液体电解质制成，在阳极和阴极之间来回携带电荷，这使其成为潜在的易燃材料。然而，可用作电解质（而非液体）的镁固态导体是耐火的。这意味着，未来我们不会看到三星 Galaxy 和 iPhone 被炸成碎片。

包括丰田和 KIT 在内的几家公司一直专注于制造更好的液体电解质，但它们有腐蚀电池其他组件的倾向。因此，研究人员想要尝试一些不同的东西。为什么不选择镁呢？与锂相比，镁的密度更高，而且在自然界中的储量也更丰富。

为了开发这项技术，研究人员选择了硒化镁钪尖晶石 ，其镁的迁移率可与锂固态电解质相媲美。让我们看看他们是如何实现这一目标的。

麻省理工学院和阿贡国家实验室的作用

科学家团队得到了麻省理工学院研究人员的帮助，他们提供了计算资源，阿贡国家实验室记录了镁钪硒尖晶石材料的结构和功能。

来自阿贡国家实验室的研究化学家 Baris Key 进行了 NMR（核磁共振）光谱测试，以证明镁离子可以像理论研究中预测的那样快地穿过材料。 实验数据涉及未知材料结构，性质复杂，理解难度较大。

结合固态核磁共振和同步加速器测量，传统的电化学表征使这些发现成为可能。

NMR 与 MRI（磁共振成像）非常相似，后者在医学上经常用于显示人体神经、肌肉和脂肪组织中水的氢原子。可以调整核磁共振频率来识别其他元素，例如电池材料中存在的镁或锂离子。

来源：劳伦斯伯克利国家实验室

为什么选择镁钪硒化物尖晶石？

根据设计参数选择尖晶石结构。这些结构具有最高的镁迁移率和每个阴离子的高体积。此外，核磁共振弛豫测量和阻抗谱证实了镁离子的快速运动和低迁移势垒。由于阻抗谱显示出混合导电行为，因此应寻求抑制电子电导率的方案，使该材料成为可实际使用的固态镁电解质。

可能显着影响固态镁电解质制造的两个基本现象——点缺陷的作用以及反转对镁迁移率和电化学的影响，这两篇论文均发表在《材料化学》上。

观察结果表明，电子电导率要么是由固有缺陷引起的，要么是由次生非含镁相引起的。因此，了解镁钪硒化物尖晶石中的缺陷化学对于降低电子电导率非常重要。规避电子传导的另一种方法是将其表面设计为离子传导但电子绝缘。它可以通过在材料的固态电解质和电极之间原位形成薄界面或异位涂覆不同材料的薄层来实现。

为了确保固态电池良好的性能，实际的涂层需要表现出足够的镁迁移率。研究小组考虑了镁在镁材料中的重要电解质分解产物中的扩散，包括二元硒化镁、硫化镁和氧化镁。

他们发现氧化镁和硫化镁具有较高的扩散势垒，而硒化镁的价值较低。因此，与二元镁硫属化物相比，潜在的镁固态电解质（由硫化物和氧化物组成）需要确保在与镁金属一起使用时生成具有更好镁迁移率的界面产物。

除了确定第一个具有高室温镁离子电导率的尖晶石外，该研究工作还验证了先前检测到的快速多价离子固体导体的设计规则。这是朝着发现更多具有快速镁迁移率的固体迈出的令人鼓舞的一步，这些固体可以用作电解质材料或电极。

研究论文：三元尖晶石硫属化物中的高镁迁移率

影响和未来范围

上海交通大学助理教授薄表示，这项研究将对能源格局产生显着影响。尽管该技术还处于起步阶段，但在不久的将来，它可能会对储能产生革命性的影响。

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这听起来具有开创性且令人兴奋，但该团队表示，在将该材料用于实际电池之前，仍需要进行大量的装修工作。目前，存在少量电子泄漏需要消除，但离子迁移率的提高对于更安全的商业电池来说是令人鼓舞的。