喷鼻香港大年夜学开拓出高机能准固态镁离子电池解决传统锂电池的局限性

喷鼻香港大学机器工程系的梁耀昌教授领导的研究团队在电池技能领域取得了重大打破，他们成功开拓出了高性能准固态镁离子（Mg-离子）电池。
这种创新设计为传统锂离子电池供应了一种可持续、安全和高能量密度的替代品，办理了材料稀缺和安全问题的局限性。

这项研究成果最近以“下一代镁离子电池：多价金属离子存储的准固态方法”为题揭橥在《科学进展》上。
新型镁离子电池有可能彻底改变该行业。
梁教授表示：“这是一个改变游戏规则的发展。
”

近年来，由于锂离子电池的局限性，镁离子电池被视为一种潜在的办理方案。
然而，开拓高效镁离子电池的道路充满了寻衅，包括须要战胜水性或水基体系中狭窄的电化学窗口，以及非水性体系中较差的离子电导率。

为理解决这些障碍，梁教授的团队开拓了一种事情电压高于2V的盐包水镁离子电池。
然而，由于质子在阴极储存的镁离子占主导地位，它仍旧掉队于非水电池。

博士莎拉梁（Sarah Leong），梁教授团队的学生，也是该研究的第一作者，阐明说：“与金属离子比较，氢离子或质子更小、更轻。
由于其尺寸，质子很随意马虎进入电池的阴极构造。
然而，这会产生一个问题，由于质子和镁离子竞争空间，这严重限定了电池可以存储多少能量以及可以持续多永劫光。
”

然而，团队的不懈努力终于取得告终果，推出了准固态镁离子电池（QSMB），这是一种创新的电池设计，利用聚合物增强电解质来掌握质子和金属离子之间的竞争。

QSMB拥有令人印象深刻的2.4 V电压平台和264 Wh kg –1的能量密度，超越了当前镁离子电池的性能，险些与锂离子电池的性能相称。

PEO的氢键锚定效应

( A ) 1M MgCl 2、MgCl 2 -WIS和MgCl 2 -PEO在100mV s -1扫描速率下的ESW 。
( B )镁对称电池循环过程中H 2气体通量的原位 OEMS 丈量。
( C )传统水相MgCl 2、MgCl 2 -WIS和MgCl 2 -PEO中氢键网络和溶剂化鞘的示意图。
0.1、1和3M MgCl 2、MgCl 2 -WIS和MgCl 2 -PEO的( D ) FTIR光谱和( E ) 1 H NMR光谱。
( F ) Mg 2+ -H 2 O的径向分布函数g ( r ) 和综合配位数 (ICN) n ( r ) 曲线（左）和 MgCl 2 -PEO的终极 MD 仿照模型（右）。
au，任意单位。
ppm，百万分之一。

梁教授表示：“我们的准固态镁离子电池结合了两全其美，供应非水系统的高电压以及水系统的安全性和本钱效益。
它代表着在高性能镁离子电池的开拓。
”

为了对QSMB进行终极测试，研究团队进行了广泛的循环测试，取得了惊人的结果。
纵然在零下温度 (–22C) 的极度条件下，QSMB在900次循环后仍保留了令人印象深刻的90%的容量。
该电池不易燃，耐压超过40个大气压。
这种水平的耐用性和性能使QSMB成为消费电子产品的有出息的候选者，纵然在寒冷的景象下也是如此。

全电池的电化学性能

( A ) Mg金属阳极、MgCl 2 -PEO电解质和CuHCF阴极的电池机理示意图。
( B ) 0.25 A g -1下的电池放电曲线和相应的机制。
( C ) 不同电流密度下的恒电流放电-充电曲线。
( D ) 倍率性能，包括比容量和库仑效率。
( E ) 1 A g -1下的长期电池循环稳定性。
（F）与其他可充电镁电池的性能比较，包括QSMB（39、69、70 ）、NAMB（5、71-74 ）和AMB（18-20、23、75、76）。
每项事情相应的 C 速率和容量保留率列于表 S6 中。

QSMB 的低温、压力和可燃性测试

( A )电池在室温和-22C下的恒电流循环曲线。
( B ) -22C、0.5 A g 169884078824528188下的长期电池循环稳定性。
( C ) 电池在 4 MPa 高压下点亮 LED 灯泡。
( D ) 易燃有机锂离子电解质和不易燃MgCl 2 -PEO电解质的图像。
有关可燃性测试，请参阅电影 S1 和 S2。

梁教授团队的研究助理教授潘文鼎博士认为，QSMB技能有潜力重塑能源存储格局，为我们的天下供应可持续的电力。

他说：“我们研究中提出的前辈电解质开拓策略具有超越镁离子电池的潜力，扩展到其他多价金属离子电池，例如锌离子和铝离子电池。
我们相信这项研究将为下一代能源存储办理方案不仅高效而且环保。
”

Next-generation magnesium-ion batteries: The quasi-solid-state approach to multivalent metal ion storage

KEE WAH LEONG, WENDING PAN, XIAOPING YI, SHIJING LUO, XIAOLONG ZHAO, YINGGUANG ZHANG, YIFEI WANG, JIANJUN MAO, YUE CHEN, JIN XUAN, HUIZHI WANG, AND DENNIS Y. C. LEUNG

SCIENCE ADVANCES DOI: 10.1126/sciadv.adh1181

#镁离子电池#

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