德克萨斯A＆M化学家开发出强大的新型电池

钒五氧化钒（V2O5）的重新设计的亚稳相阶段显示出非凡的性能作为镁电池的阴极材料。图形比较了V2O5的常规（右）和亚稳结构。

移动，锂离子;现在，地平线上有更好的电池。

由德克萨斯州A＆M大学化学家Sarbajit Banerjee领导的一个多机构科学家队已经发现了一个特殊的金属氧化镁电池正极材料，移动研究人员更接近提供了承诺在安全性进步的最高密度的电池的电池，与其无处不在的锂离子（Li-Ion）对应物相比，成本和性能。

“全球推动推进可再生能源受到能量储存矢量的可用性的限制，”在Chem Chem Chem的杂志上发表的团队论文中的Banerjee表示，该杂志新的化学杂志。“目前，锂离子技术占主导地位;然而，锂的安全和长期供应仍然是严重的问题。相比之下，镁比锂丰富得多，具有较高的熔点，在再充电时形成光滑的表面，如果可以识别适当的阴极，则能够提供超过五倍的能量密度增加。“

具有讽刺意味的是，该团队的未来派解决方案铰接于旧锂离子阴极材料的重新设计形式，它们证明它们能够可逆地插入镁离子。

“我们基本上重新计算原子以提供不同的镁离子途径，从而获得可容易的阴极材料，其中在电池的放电和充电期间可以容易地插入和提取它们，”Banerjee说。

通过将镁离子的位置限制通过设计的方式将镁离子的位置限制为相对不舒服的原子位置来实现的，这是基于钒五氧化钒的方式 - 一种称为亚稳态的性质。该稳定性有助于防止镁离子被捕获在材料内，并促进其充电储存能力的完全收集，并且在许多充电补给循环后材料的可忽略劣化。

插入和外插

德克萨斯州戴维森科学教授德克萨斯州化学系和材料科学与工程系的附属教师，一直在多年来才能更好地了解离子嵌入 - 锂电子等离子嵌入的关键过程镁和镁在插入电池内移出其他材料。

使用世界上最强大的软X射线显微镜之一 - 扫描变速器X射线显微镜（STXM）和X射线排放束线 - 在加拿大光源的串联中，具有世界上最高分辨率的像差校正透射电子显微镜之一在芝加哥（UIC），Banerjee和来自劳动伯克利国家实验室的合作者的伊利诺伊大学，UIC和Argonne国家实验室能够观察其新型五餐的独特电子特性，并直接证明镁离子嵌入到材料。集体，该团队应用了数十年的材料科学综合经验，解释了这种新型五餐钒优于旧版以及锂离子电池的根本原因。

笔记本电脑和手机是通过锂离子电池的快速发展实现的许多技术的两个例子，其与其铅酸和镍 - 金属氢化物前代比较的储能能力和可充电能力。然而，考虑到锂不仅在便携式电子设备中使用而且越来越多地在电动车辆和电网储能所需的电池中越来越多的电池中，预计锂在长期内供应越来越短。此外，锂离子电池是一个风险的游戏，如近期科学美国，路透社和福布斯详述的最新宣传报告所突出的，例如，其中锂离子动力设备由于基本而被引起了火灾或爆炸锂的易燃性和反应性。

“除了对消费者应用的更安全之外，镁离子技术在根本上吸引，因为每个镁离子每离子两倍放弃两倍，而每种锂离子只能，”德克萨斯州A＆M化学研究生和美国宇航局说Space Technology Research Sullin Andrews，团队论文的第一作者。“这意味着，除了尽可能多地存储锂电池的材料中的所有其他考虑，如果您可以存储锂，则立即将电池的容量倍增。”

双倍容量，双倍麻烦

但是对于所有感知的优势，镁电池已被证明是真正的，因为他们首次在20世纪90年代提出并基本上受到各种问题的缺陷;主要是，缺少合适的阴极或正电极 - 否则称为电池的一部分，其中镁离子在电池的放电期间供电电子设备然后在充电期间出口。

“实际上，关于镁离子的最令人兴奋的事情 - 即，他们存储两倍的电池应用中的电荷 - 也构成了最大挑战的基础，”合作UIC Chemist Jordi Cabana说。“镁离子的较高电荷使它们与周围原子更强烈地”粘附“。”

换句话说，Banerjee说，镁离子在横穿阴极材料内的路径时得到WATLAD。他们缓慢的运动是使可行的镁电池变得如此困难。

“在许多结构中，其中一些互动是非常有利的，这意味着镁在那些特定网站中坐下来坐下来，”Andrews解释道。“在我们的材料中，镁在通过格子移动时”沮丧“，因为它遇到了许多不太优越的环境。从这个意义上讲，只要继续行动，就会竭尽全力，导致能力和扩散的改善。“

该团队的国家科学基金会资助研究包括两名额外的当前和前德克萨斯州A＆M毕业生，Abhishek Parija和Peter M. Marley。David Prendergast是伯克利实验室分子代工厂，美国能源国家用户驻纳米级科学研究部门，德克萨斯A＆M队的设计和解释了他们的计算，这些计算是由Fakra使用Berkeley Lab的先进光源进行实验验证以及在Argonne国家实验室的高级光子源收集的结构数据。与UIC物理学家Robert F. Klie和物理研究生Arijita Mukherjee合作收集新形式的五氧化钒的原子分辨率图像，并显示了在材料内插入镁的直接证据。电池测量显示可逆性并确认阴极材料的稳健性完成故事，并与Cabana和Fire Pabana Group Mearry Hyun Deog Yoo合作进行。

该团队的国家科学基金会资助研究包括两名额外的当前和前德克萨斯州A＆M毕业生，Abhishek Parija和Peter M. Marley。David Prendergast是伯克利实验室分子代工厂，美国能源国家用户驻纳米级科学研究部门，德克萨斯A＆M队的设计和解释了他们的计算，这些计算是由Fakra使用Berkeley Lab的先进光源进行实验验证以及在Argonne国家实验室的高级光子源收集的结构数据。与UIC物理学家Robert F. Klie和物理研究生Arijita Mukherjee合作收集新形式的五氧化钒的原子分辨率图像，并显示了在材料内插入镁的直接证据。电池测量显示可逆性并确认阴极材料的稳健性完成故事，并与Cabana和Fire Pabana Group Mearry Hyun Deog Yoo合作进行。

“在纸上，镁电池是非常理想的，因为它们承诺在解决研究人员的几个关键问题的能力之外的最大能量密度 - 以及不幸的是消费者 - 正在发现锂离子电池，包括成本，安全和性能最基本的水平，“安德鲁斯说。“但是从锂 - 镁离子技术的转变并不简单，并且在设计镁离子阴极时遇到的许多问题都是这些更可持续和更安全的电池的发展。”

努力走向更安全的能源未来

安德鲁斯表示，该团队的研究标志着该领域的重要转折点，因为它代表了解决阴极问题的重要进步，同时还突出了使用这种新形式的五氧化钒等更具想象力的亚氧化物材料的固有优势。但即使他承认，在这个特殊的90年代趋势回归时尚之前还有更多的工作要做。

“虽然这项研究提供了很多洞察力，但在镁电池成为现实之前，还有几个其他基本问题克服，”Andrews增加了。“然而，这项工作使镁电池移动到现实更靠近现实的一步 - 即电池的现实，在电池较低，更轻，更安全，以便更容易地采用电动车辆所需的大面积格式，并存储由太阳能产生的能量和风来源。“

出版物：Justin L. Andrews等，“V2O5亚稳态一维多晶型物中的”可逆Mg离子插入“，2018，2018; DOI：10.1016 / J.CHEMPR.2017.12.018