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镁二次电池材料的研究与应用分析

2016-06-30 00:08
棒棒书香
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  能源是人类生存和发展的重要基础,为了节约能源,动力电气化是必然趋势。作为车辆燃油替代能源的化学电源,既有发展的良好机遇,又存在着巨大的挑战。

  人们开始注意到在元素周期表上与锂处于对角线位置的镁,二者具有类似的物理、化学性质,镁蕴藏丰富、价格低廉、电极电位较低、能量密度高、安全无污染并且加工处理较锂方便,被认为是又一有发展前景的电池负极材料。

  镁二次电池是近年来能源科学领域极富潜力的一种新型二次电池,加上镁的价格低廉,对环境无污染,容易操作,镁二次电池被认为是有望用于大型设备的绿色可充电池。本文作者张文毓主要介绍了镁作为电池材料的优势,以及镁二次电池的现状与应用,包括作为电解质溶液、正极材料及负极材料。

  镁二次电池材料研究现状

  镁二次电池是近年来发展起来的一种极具潜力的新型可充电池。镁二次电池的工作原理与锂离子二次电池原理相同,组成镁二次电池的核心是Mg阳极、电解质溶液及能嵌入Mg2+的正极材料。镁二次电池以Mg为负极,要求Mg/Mg2+电化学可逆地进行沉积/溶解。由于Mg较活泼,只适宜在有机非质子极性溶剂中进行该反应。

  镁二次电池由于其安全和价格因素在大负荷用途方面具有潜在优势, 因此,被认为是有望适用于电动汽车的一种新型绿色电池。同时,也是继一次电池以后,参照锂离子电池原理提出的新电池,被称为是具有良好发展前景的新型可充电池。

  2000年,Aurbach等人研制出了较完整的镁二次电池体系,使镁二次电池的研究得到了突破性的进展。目前,镁二次电池的研究重点放在寻找适合的电解液体系以及能够进行可逆脱嵌的正极材料方面,而对于负极材料的研究报道相对较少,一般是采用金属镁作为负极。与锂电池相似,金属镁作为负极材料,可能存在的问题是:在长期循环过程中,容易在电极表面形成镁枝晶,导致电池性能变差,甚至造成短路。

  由于镁电池的研究还处于初级阶段,对电极材料及电解质材料合成及其电化学性能的研究都不够完善。镁二次电池具有廉价、安全、环境友好等优点,与铅酸和镍镉电池相比可以提供很高的能量密度,但是,镁二次电池的发展受到了两方面的阻碍:一方面,由于镁的电化学活性,镁在绝大部分溶液中都会生成表面钝化膜,二价镁离子难以通过这种钝化层,使镁难以溶解和沉积,从而限制了其电化学活性;另一方面,二价镁离子电荷密度大,溶剂化作用强,较难插入到许多基质中。

  目前人们对镁二次电池的研究还处于初级阶段,所开发的正极嵌入材料还比较少,而且大部分循环性能不佳。在电解液方面,仍面临如何提高电导率和稳定性的问题。因此寻找合适的电解质电解液体系和正极材料是镁二次电池研究的关键。

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