超越锂：一种很有前途的镁可充电电池正极材料

作为下一代电池的能量载体，镁是很有前途的候选者。然而，镁电池若要替代锂离子电池，还需提高循环性能和容量。为此，一个研究团队专注于一种具有尖晶石结构的新型正极材料。经过广泛的表征和电化学性能实验，他们发现了一种特殊的成分，可以为高性能镁充电电池打开大门。

就多种应用的整体性能而言，锂离子电池一直是无与伦比的，从便携式电子产品到蜂窝基站的各种应用都证明了这一点。然而，它们有一些难以忽视的重要缺点。一方面，锂相当昂贵，而且以极快的速度开采这一事实也于事无补。此外，锂离子电池的能量密度不足以赋予电动汽车和重型机械自主权。这些担忧，加上电池在被刺破或处于高温时非常不安全的事实，促使科学家们寻找替代技术。

镁充电电池因其能量密度、安全性和成本而显示出对绿色未来的巨大希望。但缺乏高性能正极材料阻碍了它们的发展。现在，一个研究小组已经开发出液态硫/硫化物复合阴极，可以实现高倍率镁电池。镁可充电电池 (MRB) 以高容量镁金属作为负极材料，由于其能量密度、安全性和成本，是下一代电池的有前途的候选者。然而，高性能正极材料的缺乏阻碍了它们的发展。与锂离子对应物一样，过渡金属氧化物是 MRB 中的主要阴极材料。然而，镁离子在氧化物内部的缓慢扩散造成了一个严重的问题。为了克服这个问题，一些研究人员探索了硫基材料。但是用于 MRB 的硫基正极有严重的局限性：低电子电导率、固体 Mg-S 化合物中的 Mg 扩散缓慢以及多硫化物在电解质中的溶解度，这导致低倍率性能和循环性能差。

在作为可充电电池的有效能量载体进行测试的各种元素中，镁 (Mg) 是一个很有前途的候选元素。除了安全性和丰富性外，Mg 还具有实现更高电池容量的潜力。但是，首先需要解决一些问题。这些包括镁离子提供的低电压窗口，以及在镁电池材料中观察到的不可靠的循环性能。

为了解决这些问题，由日本东京理科大学副校长 Yasushi Idemoto 教授领导的研究团队一直在寻找用于镁电池的新型阴极材料。特别是，他们一直在寻找提高基于 MgV(V：钒)系统的正极材料性能的方法。幸运的是，正如 2022 年 12 月 8 日在线发布并于 2023 年 1 月 1 日发表在电分析化学杂志第 928 卷上的最新研究报告所述，他们现在找到了通往成功的正确道路。

研究人员专注于 Mg 1.33 V 1.67 O 4系统，但用锰 (Mn) 代替了一定量的钒，获得了分子式为 Mg1.33V1.67−xMnxO4 的材料，其中x为 0.1 至 0.4。虽然该系统具有很高的理论容量，但需要分析有关其结构、循环性和阴极性能的更多细节，以了解其实际用途。因此，研究人员使用多种标准技术对合成的阴极材料进行了表征。

首先，他们使用 X 射线衍射和吸收以及透射电子显微镜研究了 Mg1.33V1.67−xMnxO4 化合物的组成、晶体结构、电子分布和粒子形态。分析表明，Mg1.33V1.67−xMnxO4 具有尖晶石结构，成分非常均匀。接下来，研究人员进行了一系列电化学测量，以评估 Mg1.33V1.67−xMnxO4 的电池性能，使用不同的电解质并测试在不同温度下产生的充电/放电性能。

该团队观察到这些阴极材料的高放电容量——尤其是 Mg 1.33 V 1.57 Mn 0.1 O 4——但它也因循环次数而显着变化。为了解原因，他们分析了材料中钒原子附近的局部结构。“看起来特别稳定的晶体结构以及钒的大量电荷补偿导致我们观察到 Mg 1.33 V 1.57 Mn 0.1 O 4的优异充放电性能，”Idemoto 教授说。“综上所述，我们的结果表明 Mg 1.33 V 1.57 Mn 0.1 O4可能是镁充电电池的良好候选正极材料。”

Idemoto 教授对目前的研究结果感到满意，并对未来充满希望，他总结说：“通过未来的研究和开发，由于前者具有更高的能量密度，镁电池可能会超过锂离子电池。”

事实上，替代的 MgV 系统最终可能会导致期待已久的下一代电池。让我们希望能够满足我们对可充电电池需求的备受期待的锂替代品早日实现!