无序的镁铬氧化物颗粒有望促进未来的电池技术

UCL（伦敦大学学院）和伊利诺伊大学芝加哥分校的研究人员发现，微小的无序的镁铬氧化物颗粒可能是新镁电池储能技术的关键，如图1所示，与传统的锂离子电池相比，这种技术可以提高电容量。

图1 微小的无序的镁铬氧化物颗粒可能是新型镁电池储能技术的关键

这项研究发表于2018年12月的《Nanoscale》上，报道了一种新的可扩展的方法，用于制造能够将镁离子可逆地储存在高压中的材料，这是电池阴极的特征。

虽然处于研究早期阶段，但研究人员表示，这是向镁基电池发展的重大进展。迄今为止，很少有无机材料显示出可逆的镁去除和插入，这是镁电池发挥作用的关键。“锂离子技术正在达到其能力的极限，因此寻找其他化学材料非常重要，这将使我们能够制造出具有更大存储容量和更纤薄设计的电池，”共同作者IanJohnson博士说。“镁电池技术一直被认为是提供更耐用的电话和电动汽车电池的有潜力的解决方案，但获得用作阴极的实用材料一直是一个巨大挑战。”

限制锂离子电池的一个因素是阳极。出于安全原因，低容量碳阳极必须用于锂离子电池，因为使用纯锂金属阳极会导致危险的短路和火灾。相比之下，镁金属阳极更加安全，因此配合功能性正极材料的镁金属可以使电池更小并储存更多能量。以前使用计算模型的研究预测，镁铬氧化物（MgCr₂O₄）可能是镁电池阴极的有希望的候选者。

受这项工作的启发，伦敦大学学院的研究人员在非常快速和相对低温的反应中产生了约5nm的无序镁铬氧化物材料。伊利诺伊大学芝加哥分校的合作者将其镁活性与传统的有序镁铬氧化物材料（7nm宽）进行了比较。

他们使用了一系列不同的技术，包括X射线衍射、X射线吸收光谱和尖端电化学方法，以观察两种材料在细胞中测试镁活性时的结构和化学变化。两种类型的晶体表现非常不同，与没有活性的较大的有序晶体相比，无序粒子显示出可逆的镁提取和插入。

“这表明电池的未来可能存在于无序和非传统的结构中，这是一个令人兴奋的前景，而且我们之前没有探讨过，因为通常无序会引起电池材料的问题。它强调了查看其他结构缺陷材料是否可能为可逆电池化学提供更多机会的重要性。”伦敦大学学院化学系Jawwad Darr教授解释说。

“我们看到，与有序晶体相比，增加表面积并且包括晶体结构的无序为重要的化学反应提供了新的途径。传统上，希望有序提供清晰的扩散途径，使细胞容易充电和放电，但我们所观察到的表明，无序结构引入了新的容易接近的扩散途径，需要进一步研究，”伊利诺伊大学芝加哥分校的Jordi Cabana教授说。

这些结果是英国和美国研究人员之间激动人心的新合作的产物。伦敦大学学院和伊利诺伊大学芝加哥分校计划将研究扩展到其他无序的高表面积材料，以进一步提高镁储存能力，并开发出实用的镁电池。

信息来源：光电技术研究所