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什么是镁电池?

2021-11-29 17:32 性质:原创 作者:DDing 来源:无人机网
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镁电池是利用镁阳离子作为溶液中的活性电荷传输剂和电化学电池的基本阳极的电池。对不可充电的原电池和可充电的二次电池的化学性质进行了研究。镁原电池已商业化...

电池是利用镁阳离子作为溶液中的活性电荷传输剂和电化学电池的基本阳极的电池。对不可充电的原电池和可充电的二次电池的化学性质进行了研究。镁原电池已商业化并已发现用作备用电池和通用电池。

镁二次电池是一个活跃的研究课题,特别是在某些应用中作为锂离子电池化学物质的可能替代或改进。镁电池的一个显着优势是它们使用固体镁阳极,与锂制成的电池设计相比,它允许更高的能量密度设计,在许多情况下,锂电池需要嵌入锂阳极。还研究了插入式阳极(“镁离子”)。

初级电池

自20世纪初以来,原生镁电池已经被开发出来。已经研究了许多储备电池类型的化学成分,阴极材料包括氯化银、氯化铜(I)、氯化钯(II)、碘化铜(I)、硫氰酸铜(I)、二氧化锰和空气(氧气)。例如,水激活的氯化银/镁储备电池在1943年开始商业化生产。

BA-4386型镁干电池已经完全商业化,每单位成本接近锌电池--与同等的锌碳电池相比,电池的容量更大,保质期更长。从1968年开始,BA-4386被美国军方广泛使用,直到1984年被亚硫酰氯锂电池取代[3][4] 。

镁空气燃料电池的理论工作电压为3.1V,能量密度为6.8千瓦时/公斤。通用电气公司早在20世纪60年代就生产了一种在中性氯化钠溶液中运行的镁空气燃料电池。镁空气电池是一种初级电池,但有可能通过更换阳极和电解质来进行 "加油"。镁空气电池已经商业化,并被用作陆地上的备用系统以及海底电源,使用海水作为电解质。

二次电池

概述

镁正在研究中,在某些应用中可能取代或改进锂离子电池。与作为负极材料的锂相比,镁的单位质量能量密度(理论上)不到锂的一半(18.8兆焦耳/千克对42.3兆焦耳/千克),但体积能量密度高出约50%(32.731吉焦/立方米对22.569吉焦/立方米)。 与金属锂阳极相比,镁阳极不表现出枝晶的形成,这可能允许金属镁在阳极没有插层化合物的情况下使用;[注3]使用没有插层的镁阳极的能力将理论上的最大相对体积能量密度提高到锂离子电池的5倍左右。此外,建模和电池分析表明,由于地球上有丰富的镁,而锂矿藏相对稀少,镁基电池可能比锂有成本优势。

早在20世纪90年代,基于V2O5、TiS2或Ti2S4阴极材料和金属镁阳极的镁基电池的潜在用途就已经被认可。然而,观察放电状态的不稳定性和电解质中水的作用的不确定性限制了进展。[10][11] 第一个成功的可充电电池是在2000年报道的,基于Chevrel型Mo6S8阴极和有机卤化铝镁/THF基电解质。

截至2018年,二次镁电池研究还没有产生可商业化的电池,具体的挑战是电解质和阴极材料。 截至2015年,生产商业上有用的镁电池的障碍是缺乏已证明的实用电解质和镁离子的高能量密度阴极材料。

研究

阳极和电解质

使用金属镁阳极的一个主要缺点是在充电时容易形成钝化(非导电)层,阻碍进一步的充电(与锂的行为相反);钝化层被认为是源于镁离子还原过程中电解质的分解。常见的反离子如高氯酸盐和四氟硼酸被发现有助于钝化,一些常见的极性无机溶剂如碳酸盐和腈类也是如此。

早期开发镁电池的尝试是探索使用 "镁插入电极",基于金属镁可逆地插入金属合金阳极(如铋/锑或锡)。这些已被证明能够防止阳极表面钝化,但由于插入时的体积变化,以及插入的缓慢动力学,遭受阳极破坏。

所研究的插入式阳极类型的例子包括Sn、Mg2Sn 。

基于格氏剂的醚类电解质已被证明不会钝化;有机硼酸镁也显示出无钝化的电镀作用。化合物Mg(BPh2Bu2)2被用于第一个展示的可充电的镁电池,它的用途受到电化学氧化的限制(即电压窗口的低阳极极限)。 [21] 研究的其他电解质包括硼氢化物、苯酚酸盐、烷氧基化物、基于氨基的复合物(例如基于六甲基二硅氮烷)、碳硼烷盐、氟化烷氧基硼酸盐、Mg(BH4)(NH2)固态电解质,以及含有Mg(AlCl2EtBu)2的四聚体/PVDF的凝胶聚合物。

目前对镁金属电池的兴趣浪潮始于2000年,当时一个以色列小组报告了用氯化镁和氯化铝在醚类(如THF)中的混合溶液进行可逆的镀镁。 这种电解质的主要优点是电压窗口的正极限明显大于以前报告的镀镁电解质(因此,电池电压更高)。从那时起,已经报道了几种其他的镁盐,其腐蚀性比氯化物要低[26]。

与锂相比,一个缺点是镁在溶液中的电荷量较高(+2),这往往会导致电解液中的粘度增加,流动性降低。 镁离子进入阴极宿主晶格的运动也很缓慢(截至2014年)。

2018年,一种不含氯的电解质与基于醌的聚合物阴极一起展示了有希望的性能,每公斤比能量高达243 Wh(870 kJ),比功率高达3.4 kW/kg,并且在2500次循环中保留率高达87%。据称,电解液中没有氯化物可以改善离子动力学,从而减少电解液的使用量,提高性能。

一个有希望的方法是将镁阳极与硫/碳阴极结合起来。因此,需要一种非亲核性电解质,它不会仅仅因为硫的还原性而将其转化为硫化物。这种电解质已经在含氯[32][33][34]和不含氯的复合盐的基础上被开发出来。中的电解质是一种含有Mg阳离子和两个六氟异丙基硼基的Mg盐作为阴离子。这个系统很容易合成,它显示出与锂离子电池相似的离子传导性,它的电化学稳定性窗口高达4.5V,它在空气中很稳定,对不同的溶剂具有通用性 。

阴极材料

对于阴极材料,已经研究了许多不同的化合物的适用性,包括那些用于镁原电池的化合物。研究或提议的新阴极材料包括二硫化锆、氧化钴(II,III)、二硒化钨、五氧化二钒和钒酸盐基阴极。2000年,Mo6S8的螯合相形式被证明具有作为阴极的良好适用性,在100%放电的情况下,以15%的损耗持续了2000个循环;缺点是低温性能差(镁的迁移率降低,通过替代硒来补偿),以及电压低,c. 二硫化钼阴极显示出更好的电压和能量密度:1.8V和170mAh/g。过渡金属硫化物被认为是有前途的镁离子电池阴极候选材料。2015年报道了一个混合镁电池,使用混合镁/钠电解质,钠插入到纳米二硫化铁阴极中。

基于二氧化锰的阴极显示出良好的性能,但在循环中会恶化 。

2014年报道了一个可充电的镁电池,利用离子交换的橄榄石型MgFeSiO4阴极与双(三氟甲基磺酰基)亚胺/三甘醇电解质,该电池显示容量为300mAh/g,电压为2.4V。

除了非无机金属氧化物/硫化物类型的阴极材料也得到了研究:2015年报道了一种基于包含蒽醌的聚合物的阴极;其他能够发生氧化还原反应的有机和有机聚合物阴极材料也得到了研究,如聚-2,2'-二硫二苯胺。

2016年,一种多孔碳/碘组合阴极被报道为Mg2+插入式阴极的潜在替代品--该化学反应被报道为可能适合于可充电的流动电池。

商业化

2016年10月,本田和Saitec(埼玉工业技术中心)声称有一个可商业化的镁电池,基于五氧化二钒/硫的异质合金阴极。还声称商业化日期为2018年。

2021年,一个名为Wonderlight的设计赢得了坎斯创新节的奖项 。

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