无序晶体镁铬氧化物有望用于未来的电池技术

UCL 和伊利诺伊大学芝加哥分校的研究人员发现，微小、无序的氧化镁铬颗粒可能是新型镁电池储能技术的关键，与传统锂离子电池相比，这种技术可能具有更高的容量。

报告了一种新的、可扩展的方法来制造一种材料，这种材料可以在高压下可逆地储存镁离子，这是阴极的决定性特征。

虽然它还处于早期阶段，但研究人员表示，这是向镁基电池迈进的重大进展。迄今为止，很少有无机材料表现出可逆的镁去除和插入，这是镁电池发挥作用的关键。

“锂离子技术正在达到其能力的极限，因此寻找其他化学物质非常重要，这将使我们能够制造出具有更大存储容量和更纤薄设计的电池，”共同主要作者伊恩约翰逊博士说（伦敦大学学院）化学）。

“镁电池技术一直被认为是提供更持久的手机和电动汽车电池的可能解决方案，但获得一种实用的材料用作阴极一直是一个挑战。”

限制锂离子电池的一个因素是阳极。出于安全原因，锂离子电池必须使用低容量碳阳极，因为使用纯锂金属阳极会导致危险的短路和火灾。

相比之下，镁金属阳极更安全，因此将镁金属与功能性阴极材料结合可以使电池更小并储存更多能量。

先前使用计算模型的研究预测，镁铬氧化物 (MgCr2O4) 可能是镁电池阴极的有前途的候选者。

受这项工作的启发，UCL 研究人员在非常快速和相对低温的反应中生产了一种 ~5 nm 的无序镁铬氧化物材料。

伊利诺伊大学芝加哥分校的合作者随后将其镁活性与约 7 nm 宽的常规有序镁铬氧化物材料进行了比较。

他们使用了一系列不同的技术，包括 X 射线衍射、X 射线吸收光谱和尖端的电化学方法，以观察两种材料在电池中测试镁活性时的结构和化学变化。

这两种晶体的行为非常不同，无序颗粒表现出可逆的镁提取和插入，而较大的有序晶体则没有这种活性。

“这表明电池的未来可能在于无序和非常规结构，这是一个令人兴奋的前景，我们以前没有探索过，因为通常无序会导致电池材料出现问题。它强调了查看其他结构缺陷材料是否存在的重要性可能为可逆电池化学提供更多机会”Jawwad Darr 教授（伦敦大学学院化学系）解释道。

“我们看到，与有序晶体相比，表面积的增加和晶体结构中的无序性为重要化学反应的发生提供了新的途径。

通常，需要有序以提供清晰的扩散途径，使细胞能够轻松充电和放电——但我们所看到的表明，无序结构引入了新的、可获得的扩散途径，需要进一步研究，”Jordi Cabana 教授说（伊利诺伊大学芝加哥分校）。

这些结果是英国和美国研究人员之间令人兴奋的新合作的产物。UCL 和伊利诺伊大学芝加哥分校打算将他们的研究扩展到其他无序的高表面积材料，以进一步提高镁的储存能力并开发实用的镁电池。