上海交大密院薄首行及其合作團隊發(fā)現(xiàn)迄今為止最快的鎂離子固態(tài)導(dǎo)體

近日，交大密西根學(xué)院教師薄首行在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》(Nature Communications) 雜志上發(fā)表其最新研究成果《High magnesium mobility in ternary spinel chalcogenides》，描述了其所在研究團隊發(fā)現(xiàn)了迄今為止最快的鎂離子固態(tài)導(dǎo)體(MgSc2Se4)，該發(fā)現(xiàn)將有效推進全固態(tài)鎂電池的開發(fā)。本文的共同第一作者以及通訊作者為勞倫斯伯克利國家實驗室Pieremanuele Canepa博士和密西根學(xué)院助理教授薄首行。本文的另一通訊作者為美國工程院院士、勞倫斯伯克利國家實驗室高級研究員、美國加州大學(xué)伯克利分校校長特聘教授Gerbrand Ceder。

鎂離子遷移能壘計算結(jié)果預(yù)測了一類新型鎂離子快導(dǎo)體材料

鎂電池不但擁有高能量密度且安全性能突出，是一種可與鋰離子電池競爭的新型儲能科技。在這一新發(fā)現(xiàn)的材料中，鎂離子的遷移速度非常塊，與快速鋰離子導(dǎo)體中鋰離子的遷移速度不相上下。目前所有商業(yè)電池都要使用液態(tài)電解質(zhì)來實現(xiàn)離子在正負極之間的傳導(dǎo)，而離子(例如鋰離子或鎂離子)的傳輸速度決定了電池的充電速率。盡管液態(tài)電解質(zhì)可以實現(xiàn)離子的快速傳導(dǎo)，然而液體電解質(zhì)易燃易爆的屬性為電池的使用埋下了安全隱患。固態(tài)電解質(zhì)雖不易燃，但卻面臨著如何實現(xiàn)快速離子傳導(dǎo)的挑戰(zhàn)。

鎂離子電池的體積能量密度比鋰離子電池更高，在大型電動設(shè)備中的應(yīng)用更具前景。然而，尋找合適的鎂離子液體電解質(zhì)卻困難重重。這是因為大多數(shù)鎂離子液態(tài)電解質(zhì)要么對集流體具有腐蝕性，或者與鎂金屬負極或正極材料反應(yīng)形成鈍化界面，從而完全阻斷鎂離子的傳導(dǎo)。 鎂電池是一種前瞻性儲能技術(shù)，到目前為止還沒有找到很好的液態(tài)電解質(zhì)。針對這一問題， 研究團隊另辟蹊徑，提出了研發(fā)固體電解質(zhì)的方案。

薄首行表示，“為全固態(tài)鎂電池設(shè)計合成固體電解質(zhì)是一個很大膽的計劃，甚至初步看來可能性很小。” Gerbrand Ceder進一步指出：“雖然在我們用這一新發(fā)現(xiàn)的材料(MgSc2Se4)制造出電池之前，可能還有很長的路要走，但這項工作第一次證明了在固態(tài)材料中仍然可以實現(xiàn)鎂離子的快速傳導(dǎo)。鎂離子被公認為在大多數(shù)固態(tài)材料中傳導(dǎo)速度慢，所以在此之前沒有人認為這是可能的。” 對于這項工作，Canepa博士評價道：“通過將計算材料科學(xué)方法論，合成和各種表征技術(shù)結(jié)合在一起，我們發(fā)現(xiàn)了一類能以前所未有的速度傳輸鎂離子的新型固態(tài)導(dǎo)體?！?/span>

盡管該發(fā)現(xiàn)為未來的相應(yīng)研究提供了廣闊的空間，令人振奮，Ceder教授謹慎的評論道： “制造全固態(tài)電池在工業(yè)上有巨大的吸引力。這是電池界的夢想，因為全固態(tài)電池可以最終解決電池的安全問題。但是，在這種材料中(MgSc2Se4)仍然存在少量電子電導(dǎo)。在用于全固態(tài)電池之前，我們還必須想方設(shè)法將其降低?！?/span>

這篇文章的合作者還包括阿貢國家實驗室的Baris Key，勞倫斯伯克利國家實驗室的Gopalakrishnan Sai Gautam和Juchuan Li，麻省理工學(xué)院的William Richards和Yan Wang以及加州大學(xué)伯克利分校的Tan Shi和Yaosen Tian。作為由美國能源部科學(xué)辦公室和基礎(chǔ)能源科學(xué)部資助的能源創(chuàng)新中心聯(lián)合能源存儲研究中心Joint Center for Energy Storage Research(JCESR)的一部分，這項工作得到了JCESR的全力支持。