團(tuán)隊(duì)研發(fā)的水性鎂金屬電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

(原新聞稿已于9月22日發(fā)布)

團(tuán)隊(duì)研發(fā)的水性鎂金屬電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)今獲廣泛使用的鋰離子電池存在諸多不足，除了具毒性和價(jià)格昂貴，所使用的鋰金屬材料也較為稀缺。幾十年來，研究人員一直在尋找更環(huán)保、更安全、成本更低的技術(shù)來替代鋰離子電池。

水性鎂金屬電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

由香港大學(xué)（港大）機(jī)械工程系梁耀彰教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，首次設(shè)計(jì)了利用鎂金屬作為負(fù)極的可充電水系電池，是電池技術(shù)的重大突破，為研發(fā)后鋰離子電池開辟了一條新途徑。

水性鎂金屬電池的電化學(xué)表現(xiàn)

研究成果剛于 《ACS Energy Letters》發(fā)表，論文題為「Reversibility of a high-voltage, Cl-assisted, aqueous Mg metal battery enabled by a water-in-salt electrolyte」。

梁教授說：「鎂金屬是一種極具吸引力的負(fù)極材料，它具備高的理論性容量，帶負(fù)電化學(xué)電位。鎂無毒，在地殼中含量豐富?！?/p>

水性鎂金屬電池的電化學(xué)表現(xiàn)

鎂占地殼的2% 以上，比鋰多1000倍。過往水性鎂金屬電池的可造性一直被忽視。一直以來，鎂金屬的高活性讓它難以在電池中應(yīng)用。鎂暴露于濕氣時(shí)又很容易鈍化，形成阻止氧化還原反應(yīng)的氧化膜。于是大多數(shù)針對(duì)鎂電池的研究都是使用無水的有機(jī)電解質(zhì)，但它們通常成本高、不穩(wěn)定且導(dǎo)電性差。

水性鎂金屬電池的電化學(xué)表現(xiàn)

梁教授始終認(rèn)為水性電解質(zhì)是安全且低成本的解決方案。他說：「由于鎂對(duì)水分極度敏感，水性電解質(zhì)增加了另一層挑戰(zhàn)。但如果我們能夠解構(gòu)水性鎂電池讓其發(fā)揮潛力，它將成為一種絕佳的低成本且可持續(xù)發(fā)展的新電池技術(shù)?！顾f。

梁教授的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一種基于氯化物的水性「鹽包水」電解液，能調(diào)節(jié)鎂金屬表面鈍化膜的形成，實(shí)現(xiàn)水性鎂金屬電池系統(tǒng)可循環(huán)充電運(yùn)行，打破傳統(tǒng)的看法。

「鹽包水」電解質(zhì)是一種超飽和混合物，其中溶質(zhì)的質(zhì)量超過溶劑的質(zhì)量。「鹽包水電解質(zhì)中由于只有有限的游離水，這限制了水分解，解決了鈍化的主要成因?！箼C(jī)械工程系博士后研究員潘文鼎博士解釋說。潘博士是研究「鹽包水」電解質(zhì)的專家。

電解液中氯離子的吸附也是調(diào)節(jié)鈍化膜形成的關(guān)鍵。研究小組發(fā)現(xiàn)，氯離子的吸附可以幫助溶解氧化物、暴露原生金屬讓氧化還原反應(yīng)能夠順利進(jìn)行，再加上電解質(zhì)中游離水稀缺，這種鹽包水電解質(zhì)得以成功對(duì)抗鎂金屬的鈍化。

曾仔細(xì)研究鎂負(fù)極的表面形貌與成分的博士生梁紀(jì)華說 ：「通過使用新型鹽包水電解質(zhì)，鎂金屬上的原始鈍化膜可以轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電金屬氧化物層，提供離子途徑以進(jìn)行可充電電池的操作?！?/p>

梁教授指出，研究首次展示了水性鎂金屬電池的長(zhǎng)期可循環(huán)性，在這項(xiàng)工作中獲得的化學(xué)見解，可作為概念驗(yàn)證，激發(fā)進(jìn)一步的研究?jī)?yōu)化，為研發(fā)替代的后鋰離子電池，開辟了新途徑。

團(tuán)隊(duì)研發(fā)的水性鎂金屬電池，在700多次的穩(wěn)定循環(huán)中表現(xiàn)出出色的可充電性，具有2.4-2.0 V的高放電平臺(tái)，超過了其他多價(jià)離子電池包括鋅金屬和鋁金屬電池的電壓。盡管電壓還無法與當(dāng)今的商用鋰離子電池相媲美，但進(jìn)一步發(fā)展將可以提高其性能。

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c01255