镁离子电池：离现实使用更近一步发展

研究人员提高了室温下镁离子的电导率，为镁离子电池的下一步开发铺平了道路。

东京理科大学(TUS) 的研究人员开发出一种新型电解质材料，可提高室温下镁离子的导电性，为下一步开发镁离子 (Mg 2+ ) 电池铺平道路。研究人员表示，作为锂离子的低成本替代品，Mg 2+电池由于室温下固体中镁离子的导电性差而面临巨大障碍。

“锂离子电池在重量能量密度方面具有优势，因此适合移动使用(例如，手机)，”应用化学系理学院一科初级副教授 Masaaki Sadakiyo 博士说在启迪。但他说，锂 (Li) 是一种稀有元素。

“另一方面，Mg 2+电池在体积能量密度和成本方面具有优势(即较少使用稀有元素)，这将有利于固定使用(例如，可再生能源的电力存储)，”他添加。“考虑到锂在地球上是一种有限的资源，未来世界的大规模储能应该被其他电池如Mg 2+所取代。”

研究人员表示，镁是一种很有前途的固态电池材料，因为它的丰富性，而基于 Mg 2+的能源装置具有高能量密度、高安全性和低成本。然而，Mg 2+的广泛应用受到其在室温下在固体中导电性差的限制，他们报告说：“Mg 2+的固态导电性差，因为二价正离子 (2+) 与其相邻的负离子发生强烈的相互作用。固体晶体中的离子，阻碍它们在材料中的迁移。”

TUS 的研究人员相信，他们已经解决了该化学物质的局限性，即使用基于金属有机框架 (MOF) 的 Mg 2+导体，该导体在室温下具有超离子导电性。他们报告说，Mg 2+电解质实现了 1.9 × 10 –3 S cm –1的超导率，这是固态电池实际应用的门槛。

研究人员在《美国化学学会杂志》上发表的一项研究中分享了他们的发现。一个关键结果表明，对于含有 Mg 2+的结晶固体，电导率是迄今为止报道的最高值，克服了长达数十年的障碍。

领导“无锂固态电池的新型镁超离子导体”研究的Sadakiyo描述了用作MOF的材料，这些材料具有高度多孔的晶体结构，可以有效地迁移离子。

研究人员将一种“客体分子”乙腈引入 MOF 的孔隙中，从而加速了 Mg 2+的导电性。

“我们的论文与固态电池的电解质(即Mg2+导体)的开发有关，”萨达基约说。“我们制备了一种新的Mg2+导体，并清除了其离子导电机制。我们澄清了限制在某些特定固体材料(即MOF)孔中的Mg2+在某些特定的有机蒸汽下有效地迁移，由此产生的Mg2+电导率足够高，可以用于电池。”该团队使用名为 MIL-101 的 MOF 作为框架，将 Mg 2+ 离子封装在其纳米孔中。这产生了一种基于 MOF 的电解质，其中 Mg 2+松散堆积，允许二价 Mg 2+离子迁移。然后为了提高离子电导率，他们将电解质引入乙腈蒸气中。对样品进行交流阻抗测试以测量离子电导率。

其他测量和测试表明，吸附在框架中的乙腈分子允许 Mg 2+离子有效迁移通过固体电解质体。这证明了基于 MOF 的 Mg 2+导体是适用于电池应用的材料。

贞明认为，这一突破使该行业向商业 Mg 2+电池又迈进了一步，尽管在其他领域还需要做更多的工作。“我们认为我们的发现有助于从电解质部分的角度实现 Mg 2+电池，”他说。“然而，正如你所提到的，要实现实用的 Mg 2+电池还存在许多其他挑战，不仅在电解质材料部分，而且在电极材料方面。”

研究小组计划通过与另一个实验室合作，将这种材料应用于“真正的”电池。Sadakiyo 认为商业用途不需要特定的许可，因为他们没有获得专利并且该作品已经出版。“然而，目前，我们认为还有很多问题需要更多的研究人员来改进，以实现电池的真正用途。”

该团队接下来的步骤之一包括创造“其他新型材料，显示出更高的 Mg 2+电导率、更高的 Mg 2+传输数和更低的有机蒸气压，”Sadakiyo 说。该团队还“有兴趣将多价离子(例如，Mg 2+)传导的基础科学包含在固体中。”

在Sadakiyo 看来，至少在10-20 年内，我们不会看到市售的商用Mg 2+电池。

除了Sadakiyo，研究小组还包括同样来自TUS的Yuto Yoshida;东京大学 Teppei Yamada 教授;北海道大学助理教授Takashi Toya和教授Ken-ichi Shimizu。