鎂電池
關注創建者：liujianjun 創建時間：2018-12-27
鎂電池的實例教程
采用金屬鎂作為負極的可充電鎂電池具有資源豐富、理論比能量高、無鋰枝晶生長、安全性好、價格低廉等潛在的優點。然而，由于二價Mg2+的極性較大、Mg2+嵌入到正極材料中的動力學緩慢等問題，嚴重制約了鎂電池的實際性能。到目前為止，在鎂電池中只有少數的金屬/合金型或離子嵌入型負極材料表現出合適的放電容量和循環穩定性。
為了改善鎂電池電極材料的綜合性能，必需對其原子結構和表界面進行優化設計。電極材料中的晶格缺陷，例如氧空位，對于過渡金屬氧化物的物理和化學性質有很大影響。電極材料中的氧空位可以促進電子和離子的傳輸，有效提高電池的電化學性能。
化學化工學院金鐘教授和馬晶教授團隊密切合作，提出了一種新的原子取代方法，以超薄TiS2納米片為前驅體來合成含有豐富氧空位（OVs）的超薄、多孔、黑色TiO2-x (B-TiO2-x)納米片，用于鎂電池負極材料。
圖1. B-TiO2-x超薄納米片的合成示意圖、形貌和儲鎂性能。
實驗結果和DFT理論計算均證實，B-TiO2-x電極材料中存在的大量OVs能夠顯著提高材料的導電性和提供大量的鎂離子存儲位點，并表現出了較快的電化學反應動力學和優異的比容量和循環穩定性。該工作證明利用缺陷工程策略可以有效改善鎂電池電極材料的整體電化學性能。
圖2. DFT理論計算結果證實B-TiO2-x超薄納米片的氧空位有利于鎂離子存儲。
展開 休斯頓大學（University of Houston）和豐田美國研究院（University of Houston）的研究人員發現一種非常具有前景的高能量鎂電池，其潛在應用范圍包括電動汽車、可再生能源系統的電池存儲等。
Joule期刊表示，該款電池是第一款在使用有機電極時，使用有限電解質進行操作的電池，研究人員表示該電池通過使用不含氟化物的電解質，可以存儲和釋放比早期鎂電池更多的能量。
休斯頓大學電氣和計算機工程副教授Yan Yao表示，研究人員可以證實常用電解液中的氟化物會導致電池性能下降。
科學家們花費了數十年時間尋找高能量鎂電池，希望利用鎂相對于鋰的天然優勢（鋰是標準鋰離子電池中使用的元素）。但是，鎂更常見，因此也更便宜，而且其內部結構不易發生破壞（鋰離子電池經常因此而發生爆炸和著火）。
但是鎂電池只有在可以存儲和釋放大量能量時才具有商業競爭力。Yao表示，以前使用的陰極和電解質材料一直都是絆腳石。
到目前為止，鎂電池使用的最佳陰極是近20年前研發的Chevrel相硫化鉬，但是其在電力和儲能方面無法與鋰離子電池競爭。但最近的報告表明，有機陰極材料可以在室溫下提供高存儲容量，而且所測試的有機聚合物陰極比Chevrel相硫化鉬提供的電壓更高。
Yao表示，未來的研究將重點集中于進一步提高電池的比容量和電壓，以與鋰電池進行競爭。
來源：蓋世汽車網
展開 鎂二次電池作為一種低成本、高安全的儲能技術，正受到國內外廣大科研人員的關注。美國能源部可再生能源實驗室、日本豐田集團、歐盟“展望2020”科研計劃等都在積極布局鎂電池研發項目，足可見其重要性。在眾多堿金屬和堿土金屬負極中（鋰、鈉、鉀、鎂、鈣、鋅），鎂金屬負極擁有不易長枝晶、高體積比容量（3833mAh/cm3，鋰金屬僅有2036mAh/cm3）、高儲量（地殼元素中含量第五）、低成本（只有鋰金屬的1/30）等諸多競爭性優勢。但是，目前能夠有效沉積溶解鎂的鎂電解質一直制約著鎂電池實用化的發展進程。盡管十多年來研究人員開發出了一些性能優異的有機液態電解液，但是液態電解液始終擺脫不了易揮發、易燃等缺點。與液態電解液相比，聚合物電解質具有更高安全性、預防內短路、無電解液泄露、易于組裝電池和結構柔性等優點，但是目前關于聚合物電解質在鎂電池中的應用報道還很少。
圖1 凝膠聚合物電解質的結構和應用領域示意圖
圖2 硼氫化鎂與聚四氫呋喃端羥基的原位交聯反應示意圖
基于以上研究背景，依托中國科學院青島生物能源與過程研究所建設的青島儲能產業技術研究院通過硼氫化鎂與聚四氫呋喃端羥基的原位交聯反應，在玻璃纖維骨架上構建了一種能夠可逆地沉積溶解鎂的凝膠聚合物電解質體系。該凝膠電解質表現出高的鎂離子遷移數（0.73）和高的室溫離子電導率（4.76×10-4 S/cm）。而裝配該凝膠電解質體系的Mo6S8/Mg電池不僅能在寬溫區（-20-60℃）內正常工作，而且展現出優異的安全性能。這種原位交聯的方法為鎂電池聚合物電解質的進一步開發提供了一種十分有應用潛力的策略。相關成果發表在《先進材料》（Advanced Materials）上，論文第一作者為青島能源所博士生杜奧冰。
展開 鋰、鈉等金屬離子電池能量密度較低，鋅、鋁等金屬空氣電池通常需要使用堿性電解質，生物毒性較大。
鎂空氣電池具有較高的理論能量密度，使用中性電解質，且鎂生物安全性較高，是一種較為理想的體內能源設備。然而，目前報道的鎂空氣電池實際能量密度低，一方面是由于鎂負極和水系電解質容易發生腐蝕反應。另一方面放電產物氫氧化鎂會附著在鎂金屬表面，阻止電解質和鎂的接觸，使放電反應停止，降低鎂負極的利用率。
南京大學張曄課題組等設計了一種雙層凝膠電解質，實現了對鎂金屬負極的保護以及對放電產物的調控，獲得了具有高能量密度的鎂空氣電池（2282 W h·kg-1，基于全部空氣電極和鎂負極的質量），遠高于目前文獻中采用合金化負極和抗腐蝕電解液等策略的鎂空氣電池。該研究成果以“High-energy-density magnesium-air battery based on dual-layer gel electrolyte”為題發表于國際知名學術期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202104536
雙層凝膠電解質是由聚氧化乙烯有機凝膠和聚丙烯酰胺水凝膠組成，兩層凝膠可以形成穩定界面，其中聚氧化乙烯有機凝膠有效保護鎂金屬，抑制腐蝕。聚丙烯酰胺水凝膠電解質不僅為空氣電極發生的氧還原反應提供了必要的水，而且研究發現當使用含氯金屬鹽(氯化鋰、氯化鈉)的水凝膠時，鎂空氣電池的放電產物為具有獨特針狀結構的Mg2Cl(OH)3，而不是文獻中通常報道的致密的氫氧化鎂。
展開 可充電金屬鎂電池是以金屬鎂為負極的一類廉價、高安全性且具有高能量密度等潛在優勢的新型電化學儲能技術，其有望成為解決可再生能源利用效率低、電能源使用安全性差等問題重要儲能技術之一。然而，當前金屬鎂負極在較高電流密度、較高面容量以及不同電解液中存在不均勻電沉積甚至枝晶生長等行為。此外，金屬鎂負極在多數電解液體系中存在較大的沉積/溶解過電勢（通常大于100 mV）和較差的沉積/溶解庫倫效率，上述問題直接影響著可充電金屬鎂電池的安全運行、可逆容量以及循環壽命等電化學性能。
青島科技大學材料學院張忠華副教授、李桂村教授和中科院青能所崔光磊研究員等人在金屬鎂電池負極電沉積形貌調控方面提出了基于勻化電場、幾何限域以及化學吸附等協同耦合的改性策略，該科研成果以“Uniform magnesium electrodeposition via synergistic coupling of current homogenization, geometric confinement and chemisorption effect”為題發表在材料領域國際著名期刊Advanced Materials（影響因子27.398）上。該工作青島科技大學為第一單位，第一作者為該校材料學院2018級碩士研究生宋子豪。
文章鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100224
本工作研究了在宏觀和微觀尺度下金屬負極均勻生長的臨界條件：
1）電場效應：
以Haring-Blum電池模型為基礎，采用近陰極和遠陰極表面電流密度之差來描述電流密度分布，即由電極表面的尺寸差所引起的電場效應。
展開 
鎂電池的最新內容
無人智能生產車間、工業4.0與5G智能工廠整體解決方案；
◆車用材料與碳中和技術；
◆輕量化基礎原材料及輕合金制品等；
◆輕量化材料：高強度鋼、輕合金材料、工程塑料及碳纖維復合材料（玻纖、玄武巖、生物基）、聚合物發泡材料、輕量化樹脂材料、零部件制造用化學品和材料等
◆輕量化核心零部件：用于汽車制造、軌道交通、海工船舶和國防軍工領域的全鋁車身（架）、車頭、輪轂、輪胎、鋁鎂合金鑄件
此類尺寸效應廣泛存在于鋰離子電池、鈉離子電池以及鎂離子電池等電化學儲能器件中。
在電化學儲能器件實際應用中，由于納米材料具有高的比表面積，在電極和電解液的界面加劇了副反應的發生，尺寸的減小并不一定直接帶來良好的動力學性能。
鎂空氣電池結構簡單，成本相對較低，具有較高的理論電壓(3.1 V)和比能量密度 (6.8 kW h/ kg)。
DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000235
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doi: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000953
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原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202103209
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可充電金屬鎂電池是以金屬鎂為負極的一類廉價、高安全性且具有高能量密度等潛在優勢的新型電化學儲能技術，其有望成為解決可再生能源利用效率低、電能源使用安全性差等問題重要儲能技術之一。然而，當前金屬鎂負極在較高電流密度、較高面容量以及不同電解液中存在不均勻電沉積甚至枝晶生長等行為。
圖1 鎂空氣電池在（a）常規液態電解質和（b）雙層凝膠電解質中的放電示意圖。
圖2 鎂空氣電池的電化學性能。
圖3 放電產物分析。（a-e）使用含氯金屬鹽的雙層凝膠電解質的鎂空氣電池產物為針狀形貌的Mg2Cl(OH)3。（f-g）使用不含氯金屬鹽的雙層凝膠電解質的鎂空氣電池產物為致密的氫氧化鎂。
分子篩固態電解質的應用還有望拓展到鋰離子電池、鈉離子電池、鎂離子電池、鈉空氣電池等固態儲能體系，展現出廣闊的應用前景。新型分子篩固態電解質的成功研制，為固態電解質材料和固態儲能器件的發展提供了新思路。
圖1：a，分子篩基固態鋰空氣電池一體化設計。b，分子篩固態電解質-碳納米管正極一體化結構的掃描電鏡圖和透射電鏡圖。
對于Fe、Ni、Cu 等氫過電位較低的金屬，如果作為雜質存在于鎂鋁合金的內容，就會與鎂構成腐蝕為電池，導致鎂鋁合金出現嚴重的電偶腐蝕。而對于Zn、Cd 等氫過電位較高的金屬，鎂鋁合金所受的電偶腐蝕則表現的不明顯。
