新型正極材料：有望讓鎂電池替代鋰離子電池

據(jù)外媒報(bào)道，現(xiàn)代生活對電的依賴越來越強(qiáng)，而對電力的不斷需求也使得人們對更環(huán)保、更便攜的能源需求越來越高。盡管風(fēng)能和太陽能電池板是非常有前景的替代能源，但是由于此類能源的產(chǎn)量會(huì)受外部因素影響，因而非常不可靠。因此，從能源配置和經(jīng)濟(jì)角度來看，高能量的二次電池（可充電電池或蓄電池）才是未來的發(fā)展方向。東京理科大學(xué)（Tokyo University of Science）的Idemoto教授帶領(lǐng)一組研究員，通過合成一種新型電極材料（金屬化合物），成功逆轉(zhuǎn)了離子的化學(xué)反應(yīng)，解決了能源的浪費(fèi)問題，為下一代可充電鎂電池的生產(chǎn)奠定了重要基礎(chǔ)。研究人員對該發(fā)現(xiàn)非常樂觀，表示“我們合成了一種巖鹽，具有作為下一代二次電池正極材料的巨大潛力?！?/p>

電池是最受歡迎的便攜式能源，由三個(gè)基本部件組成 – 陽極、陰極和電解液，該三部分相互發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，陽極產(chǎn)生額外的電子（氧化），電子被陰極吸收（還原），從而產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)。由于電解液抑制了陽極和陰極之間的電子流動(dòng)，電子會(huì)優(yōu)先在外部電路流動(dòng)，從而導(dǎo)致電流或“電”流動(dòng)。當(dāng)陰極／陽極中的材料不能再吸收／脫落電子時(shí)，電池就“死了”。

但是，有些材料利用反向運(yùn)行的外部電力，能夠逆轉(zhuǎn)此類化學(xué)反應(yīng)，從而使材料回到原來的狀態(tài)，此類可充電電池即手機(jī)、平板電腦和電動(dòng)汽車等設(shè)備中的電池。

東京理科大學(xué)的Idemoto教授及其同事合成了取代鈷的MgNiO2材料，有潛力成為新型陰極材料。Idemoto教授表示“我們專注于使用多價(jià)鎂離子作為可移動(dòng)離子的可充電鎂電池，有望實(shí)現(xiàn)能量密度高的下一代可充電電池。”最近，由于鎂電池毒性低、容易實(shí)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)反應(yīng)，使人們對利用鎂作為高能量密度可充電電池的陽極材料產(chǎn)生了極大的興趣。但是，由于缺乏合適的互補(bǔ)型陰極和電解液，很難實(shí)現(xiàn)。

在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究人員利用“反向共沉淀法”合成了此種新型鹽，而且可從水溶液中提取此種新型巖鹽。為了研究萃取鹽的結(jié)構(gòu)和晶格成像，研究人員采用了中子和同步X射線光譜學(xué)，換句話說，他們研究了粉末樣品在中子或x射線照射下產(chǎn)生的衍射圖樣，同時(shí)，對巖鹽種類進(jìn)行理論計(jì)算和模擬，此類巖鹽具有正極材料所需的“充放電行為”，使得他們能夠根據(jù)生成的100個(gè)對稱不同候選結(jié)構(gòu)中能量最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，來確定鎂、鎳和鈷正離子在巖鹽結(jié)構(gòu)中的排列。

除了結(jié)構(gòu)分析，研究人員還用三極電池和已知的參考電極在各種條件下進(jìn)行充放電測試，以了解巖鹽作為鎂充電電池正極材料的電化學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)可以根據(jù)鎂的成分和鎳／鈷的比例來控制電池的特性。進(jìn)行的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)分析使研究人員能夠展示巖鹽可作為正極材料，以及在不同環(huán)境下具有可靠性。

目前，二次電池行業(yè)主要以鋰離子電池為主，在汽車和便攜式設(shè)備中用于電力存儲(chǔ)。但是，此類電池的能量密度和電力存儲(chǔ)能力有限。然而，Idemoto教授表示，新型二次鎂電池作為高能量密度的二次電池，有能力替代鋰離子電池。

作者余秋云