美國國家再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory;NREL)的科學家發現一種可為鎂(Mg)電池進行充電的新技術。透過產生一種新的人造金屬-電解質介面(interphase)以保護陽極的表面,有助於避免在放電過程中形成的化學阻障層積聚(這種積聚可能影響充電作業)。

研究人員在最新一期《自然化學》(Nature Chemistry)期刊發表文章——「人造介面在碳酸鹽電解質中的可逆鎂化學反應」(An Artificial Interphase Enableable Reversible Magnesium Chemistry in Carbonate Electrolytes)指出,成功開發鎂金屬在組裝電池的可逆化學反應。

NREL的第一作者兼科學家Seoung-Bum Son表示,「這項發現將為鎂電池設計提供新的途徑。NREL的其他合著者包括Steve Harvey、Adam Stokes和Andrew Norman。她說,當離子從負極流向正極時,電化學反應就會使電池產生能量。「目前在市場上佔主導地位的鋰離子電池技術越來越接近可儲存的最大能量,因此,研究人員迫切需要探索新的電池化學。」

相較於鋰離子(Li-ion)電池,鎂電池具有多種優勢,包括具有成本效益(鎂的地球蘊含量豐富,排名第五)和更高的容量(3,832mAh/cm3對鋰離子的2,061mAh/cm3)。然而,鎂電池的主要缺點在於必須由金屬-電解質的化學作用形成其表面層。

一般來說,對電池進行再充電迫使陰極的離子回到陽極,達到具有足夠電化學電勢的點。鋰離子電池在金屬和電解質之間具有可滲透層或固體電解質介面(SEI),能讓離子通過,同時防止電解質減少。

對於鎂電池,金屬介面的分解作用可在鎂電池中產生阻擋鈍化層,避免發生任可可逆的電化學反應。再者,過去無法使用金屬-固態介面,原因在於二價Mg2+離子通常無法透至該層。而且,在鎂離子可反向流動的情況下,採用的是高度腐蝕性的液體電解質,這使得鎂電池無法在高電壓下運作。

NREL Mg battery (來源:John Frenzl/NREL)

因此,NREL的研究人員開發了一種由聚丙烯腈(polyacrylonitrile)和鎂離子鹽(magnesium-ion salt)製造而成的新型介面,能在耐氧化電解質中表現出高度可逆的鎂化學反應。NREL的研究團隊成功地將這種人造介面部署於含水碳酸鹽基電解質中的Mg/V2O5全電池中,以實現可逆循環。

編譯:Susan Hong

(參考原文:NREL researchers overcome barrier to rechargeable magnesium batteries/a>,by Aalyia Shukat)