中國儲能網訊：京都大學研究生院人類及環(huán)境學研究科教授內本喜晴、助教折笠有基、研究生院工學研究科教授陰山洋及白眉中心特聘助教Cedric Tassel等的研究小組，與日本高亮度光科學研究中心開發(fā)出了可取代已有Li（鋰）離子二次電池的高能量密度Mg（鎂）金屬二次電池。該電池以礦儲量大的Mg、Fe（鐵）、Si（硅）為主要元素，可降低成本。另外，此次研究還通過使用大型放射光設施“SPring-8”的高亮度放射光，明確了充放電反應的原理。
圖：已實用化的二次電池與此次開發(fā)的Mg二次電池的容量、密度和電壓的關系。越靠右上，能量密度越高。
在取代Li離子二次電池的新一代二次電池方面，高能量密度電池的開發(fā)頗為活躍。其中，以多價離子為載流子的多價離子二次電池有望實用化。特別是以2價陽離子的Mg離子為載流子的Mg二次電池，是尤為看好的候選對象。Mg金屬由于理論容量密度高且氧化還原電位較低，因此負極使用Mg的二次電池可預期實現高能量密度。而且，Mg的礦儲量也很大，可降低成本。此外，Mg的熔點約為650℃，與熔點為180℃的Li、熔點為98℃的Na（鈉）等相比，還可提高使用安全性。
不過，以往的Mg二次電池的實用化還存在諸多課題。Mg離子為2價陽離子，離子半徑與Li離子相同。因此，電荷密度會升高，與正極材料的陰離子之間會產生更強的靜電引力，同時與正極材料的陽離子之間會產生斥力，從而使Mg離子的擴散受阻。而且，2價陽離子的Mg離子在嵌入時，還需要周圍的過渡金屬元素產生2個電子量級的價數變化。因此，Mg的嵌脫反應速度比Li慢，幾乎沒有能夠使用的正極材料。另外，可使用Mg金屬負極的電解液主要為格氏試劑，溶劑使用四氫呋喃，抗氧化穩(wěn)定性低，并且還有空氣中的穩(wěn)定性及腐蝕性問題，存在安全隱患。Mg二次電池要想實用化，必須要從正極材料及電解質材料兩方 面取得突破。
京都大學的研究人員在正極材料使用通過Si-O結合使結晶構造穩(wěn)定化的陰離子聚合物。通過以電氣化學處理手段精密控制結晶構造，保證了Mg離子的擴散，作為循環(huán)特性高的正極材料選擇了MgFeSiO4。從充放電曲線來看，容量密度與已有Li離子電池正極的160mAh/g相比達到了2倍。電解質組合使用雙三氟甲基硫酰亞胺鎂（Mg(TFSI）2）和三甘醇二甲醚（Triglyme），能夠與Mg金屬負極組合，氧化穩(wěn)定性高。
此次組合使用所開發(fā)的正極和電解質，試制了二次電池。與已有的Mg二次電池相比，理論能量密度約提高6倍（圖）。而且，還具有不使用化學上不穩(wěn)定的格氏試劑及有腐蝕性的鹵素離子等優(yōu)點。
