休斯顿大学和北美丰田研究所开发可与锂离子电池竞争的大功率镁电池

据《Nature Energy》报道，休斯顿大学和北美丰田研究所(TRINA)的研究人员开发了一种新的正极和电解质，可使镁电池在常温下使用，且功率密度与锂离子电池相当。长期以来，镁电池被认为是一种潜在的更安全和更便宜的锂离子电池的替代品，但以前的镁电池受正极和电解质的限制，难以实现大功率。虽然镁离子半径与锂离子相近，但镁离子电荷是锂的两倍，常温下镁从电解质中迁出并在电极中扩散(典型插层电极中发生的两个基本过程)缓慢，功率较小。解决这个问题的方法之一是通过提高电池温度，加速化学反应。另一种方法是采用络合物形式储存阳离子，但这两种方法都不实用。

休斯顿大学电气和计算机工程教授Yan Yao表示，有机醌作为正极，一种新的特殊硼作为电解质溶液，两者相结合带来突破性结果。通常离子迁移和在固体中的扩散不利于镁离子电池的常温运行。为了生产一种不受离子迁移和固体内扩散影响的电极，他们对烯醇的非均相氧化还原化学反应进行了研究。这类新的无需固态插层(仅限于储存非络合态的镁)的氧化还原化学反应，为镁电池电极设计开创了新领域。

TRINA研究人员在镁电池领域已取得了巨大进步，包括公认的高效硼簇阴离子电解质的开发。但这些电解质对于提高电池循环寿命没有什么用处。有迹象表明，这些由弱配位阴离子构成的电解质，从原理上讲有可能提供很长的循环寿命，因此他们将工作重点放在调整电解质的化学性质上。为了降低与镁离子的结合力，提高镁离子的宏观传输能力，他们将研究重点转向了溶剂。经过研究发现，即使采用很大的充电电流(20 mA/cm)，改性后的电解质镁的迁移仍然平稳。这一发现开创了镁电池电化学的新领域。这种新镁电池的功率密度(30.4 kW/kg)比过去的镁电池高两个数量级。经过连续200多次循环试验，电池容量仍保留约82%，显示出高稳定性。并且，可通过调整电解液性质增强控制中间产物能力，进一步提高循环稳定性。