2017年11月28日
能源存储研究联合中心(JCESR)的一个能源部科学家发现了速度最快的镁离子固态导体，这是制造固态镁离子电池的主要步骤，这种电池既能量密集又安全。
通过使用ab初始化计算、核磁共振和阻抗光谱测量，研究人员证明了在紧凑的框架中可以实现大量的镁离子迁移(~ 0.01 - 0.1 mS cm- 1，在298 K)-特别是在镁钪钪硒的尖晶石上。理论预测也表明，在其他的chalcogenide spinels中，高镁离子迁移率是可能的，为实现其他镁固体离子导体打开了大门，并最终开发出全固态镁电池。他们的研究成果发表在《自然通讯》上。
美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员(伯克利实验室)和阿贡国家实验室已经在镁电池(post)早些时候,提供更高的能量密度比锂,但因为缺乏好的选择液体电解质,其中大部分会腐蚀电池的其他部分。
与锂相比，镁提供了许多优势:它更安全，地球储量更丰富，而且比普通锂离子电池提供更大的理论容量。进一步,在毫克(MB)阳极电池高能量毫克金属(~ 3830啊l−1)超越理论体积能量密度的石墨阳极(~ 700啊l−1)甚至金属锂的(2062啊l - 1)。
镁是一种新技术，它没有任何好的液体电解质。我们想，为什么不跳过并制造固态电解质呢?
- gerbrand Ceder，伯克利实验室资深教授
然而，Mg2 +(和其他多价阳离子)的流动性不好，阻碍了广泛的阴极材料的发展，就像锂离子电池技术和钠离子电池技术一样。研究人员指出，糟糕的Mg运输也限制了固体屏障涂层的使用，以保护电极与液体电解质的反应，或者是完全固态的MBs的发展，这将缓解目前液体电解质引起的许多问题。
在本研究中，我们可以通过对晶体结构和化学的合理调整来实现固体的高Mg2 +移动。通过结合ab的初始计算，同步x射线衍射(XRD)，电化学阻抗谱和固态核磁共振(ss - nmr)，我们证明了在室温下的Mg2 +导电。实验上，我们展示了第一代结晶固体的发现，即。,X =(In,Y,Sc)和Z =(S,Se)，在室温下具有高的Mg2 +阳离子机动性。此外，我们还提出了实用的设计规则，以确定快速多价离子固体导体。我们的理论计算和电化学实验表明，硫化物和硒的尖晶石可能与目前最先进的镁阴极，例如spinel - mgti2s4和Chevrel-Mo6S8相结合。
-Canepa et al。
研究小组还包括麻省理工学院(MIT)的科学家，他们提供了计算资源，阿贡(Argonne)提供了镁钪硒化尖晶石材料的关键实验确认，以记录其结构和功能。
合著者Baris Key,Argonne的研究化学家，进行了核磁共振(NMR)的光谱实验。这些测试是实验证明镁离子可以像理论研究预测的那样快速移动材料的第一步。
NMR类似于磁共振成像(MRI)，它在医学环境中经常使用，它显示人体肌肉、神经、脂肪组织和其他生物物质中的水的氢原子。但研究人员也可以调整NMR频率来检测其他元素，包括在电池材料中发现的锂或镁离子。
然而，镁钪硒化镁材料中的NMR数据涉及到结构复杂的未知结构，使其具有挑战性。
Canepa注意到测试材料的挑战是如此的新鲜。
协议基本上是不存在的。这些发现只有在常规的电化学特性的基础上，结合一种多技术方法(固态NMR和同步加速器测量方法)才能实现。
-Pieremanuele Canepa,第一作者
该小组计划做进一步的工作来使用电池中的导体。此外，该研究还发现了两个相关的基本现象，它们在不久的将来可能会严重影响镁固体电解质的发展，也就是说，在材料化学中，反位点缺陷的作用以及电子和镁电导率的相互作用。
在工业上有巨大的努力来制造固态电池。这是圣杯，因为你会有终极的安全电池。但我们还有工作要做。这种材料显示出少量的电子泄漏，必须在电池使用前将其移除。
gerbrand Ceder
能源部科学办公室通过能源创新中心的能源存储研究联合中心提供了该项目的资金。先进的光子源，位于阿贡的科学用户设施的能源部办公室，为研究固体导体的结构增加了重要的数据。国家能源研究科学计算中心(NERSC)，加州大学伯克利分校的科学用户设施办公室，提供计算资源。该论文的其他共同作者是来自伯克利实验室的李泽楷、麻省理工学院的威廉·理查兹和阎王，以及加州大学伯克利分校的谭石和姚森。
——文章发布于2017年11月28日
