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日本研发出新型镁电池材料 或超越锂电池

日本大学研究出一种含镁、钒、锰和氧的方尖晶石结构的新型阴极材料，以提高镁充电电池性能和容量。图为维修电动汽车的充电电池。（Loic Venance/AFP）

镁作为下一代电池的能量载体，是一项很有前途的候选材料。日本大学为了提高镁电池充放电的循环和电容量，研究出一种含镁、钒、锰和氧的方尖晶石结构的新型阴极材料，以提高镁充电电池性能和容量。

日本东京理科大学副校长出本靖（Yasushi Idemoto）教授所领导的团队，寻找用于镁电池的新型阴极材料，当时选定钒化镁（MgV）作为阴极材料，并进行改良，最终使用新型的方尖晶石结构材料。该项研究结果在今年1月被发表到《电分析化学》杂志。

论文中介绍，这次研究的原因在于，锂电池虽然在整体性能上优于其它种电池，但锂金属在价格上远比其它金属昂贵许多，且单一的锂电池能量密度不足以供应汽车或重型机械动力，再加上锂电池化学活性过高，在穿刺或高温下容易出现爆炸或燃烧。

论文还提到，使用镁的优势在于，它比锂电池具有低电极电位和高容量（2205mAh/g、3832mAh/cm³）。镁也不会像锂长出枝晶（像树枝状的晶体）影响安全性，也可作为阳极。另外，镁不会与水直接发生反应，因为它的表面会有一层黑色的氧化镁作为钝化层保护内部不再持续氧化，能降低燃烧概率。

因此，实验人员专注于Mg1.33V1.67O4系统，但用部分锰金属代替钒金属，获得一种新型的方尖晶石结构Mg1.33V1.67-xMnxO4（X值=0.1〜0.4之间），虽然该系统具有很高的理论容量（295〜293mAh/g），但科学家需要分析有关其结构、循环性和阴极性能的更多细节，以了解其它实际用途。

研究人员首先使用X射线衍射（XRD）和吸收以及透射电子显微镜（STEM），观察这种化合物的组成、晶体结构、电子分布和粒子形态。X射线衍射图分析表明，Mg1.33V1.67-xMnxO4具有良好的方尖晶石结构，其组成非常均匀。

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。其中使用3号电池和不同的电解质，测试Mg1.33V1.67-xMnxO4在不同温度下产生的充电和放电特性。

研究人员观察到，这些阴极材料具有高放电容量，尤其在Mg1.33V1.57Mn0.1O4的情况下，放电的循环次数发生了显著的变化。

实验人员在90°C的温度使用一种含镁金属的G4（四甘醇二甲醚）电解液，对Mg1.33V1.67-xMnxO4进行充放电实验。当X值为0.1时。初始电容量仅为73mAh/g，在第13次循环时显示出256mAh/g的最大放电容量，另外，X值为0.2的情况下，初始电容量为77mAh/g，第10次循环时显示215mAh/g。

为了评估合成样品在不同环境温度下的阴极性能，实验人员在25°C、40°C的环境温度下，使用另一种含镁金属的G3（三甘醇二甲醚）电解液进行循环的充放电实验，发现镁金属的沉积和溶解，依然有很高的可逆性，代表着充放电特性佳。

为了解原因，实验人员用XRD分析了材料中晶体结构变化，发现Mn在16d（电子的d轨域）位置具有最小的晶格畸变，让这项Mg1.33V1.57Mn0.1O4结晶结构表现最稳固，有助于增加电容量。

实验人员发现Mn在16 d（电子的d轨域）位置具有最小的晶格畸变，让这项Mg1.33V1.57Mn0.1O4结晶结构表现最稳固，有助于增加电容量。（报告截图）

另外，科学家发现钒在充电和放电循环期间，出现显著氧化现象。这让钒被Mn 2+取代进行电荷补偿，也促成Mg1.33V1.57Mn0.1O4优异的充放电性能。

对此，出本靖教授对日本东京理科大学新闻室表示，“我们观察到钒原子大量电荷对周围的原子进行补偿作用，导致Mg1.33V1.57Mn0.1O4比例的方晶体结构，拥有比其它镁材料电池更优异的充放电性能，是良好的阴极候选材料。”

出本靖教授对于这次研究结果感到满意。他表示，“未来通过研究和开发，让镁充电电池拥有更高的能量密度，让其有机会超过锂电池。”他还希望，未来镁电池可以满足人们对充电电池的需求，并早日代替锂电池。