日本研發出新型鎂電池材料 或超越鋰電池

日本大學研究出一種含鎂、釩、錳和氧的方尖晶石結構的新型陰極材料，以提高鎂充電電池性能和容量。圖為維修電動汽車的充電電池。(Loic Venance/AFP)

【大紀元2023年02月15日訊】（大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導）鎂作為下一代電池的能量載體，是一項很有前途的候選材料。日本大學為了提高鎂電池充放電的循環和電容量，研究出一種含鎂、釩、錳和氧的方尖晶石結構的新型陰極材料，以提高鎂充電電池性能和容量。

日本東京理科大學副校長出本靖（Yasushi Idemoto）教授所領導的團隊，尋找用於鎂電池的新型陰極材料，當時選定釩化鎂（MgV）作為陰極材料，並進行改良，最終使用新型的方尖晶石結構材料。該項研究結果在今年1月被發表到《電分析化學》雜誌。

論文中介紹，這次研究的原因在於，鋰電池雖然在整體性能上優於其它種電池，但鋰金屬在價格上遠比其它金屬昂貴許多，且單一的鋰電池能量密度不足以供應汽車或重型機械動力，再加上鋰電池化學活性過高，在穿刺或高溫下容易出現爆炸或燃燒。

論文還提到，使用鎂的優勢在於，它比鋰電池具有低電極電位和高容量（2205mAh/g、3832mAh/cm³）。鎂也不會像鋰長出枝晶（像樹枝狀的晶體）影響安全性，也可作為陽極。另外，鎂不會與水直接發生反應，因為它的表面會有一層黑色的氧化鎂作為鈍化層保護內部不再持續氧化，能降低燃燒機率。

因此，實驗人員專注於Mg1.33V1.67O4系統，但用部分錳金屬代替釩金屬，獲得一種新型的方尖晶石結構Mg1.33V1.67-xMnxO4（X值＝0.1〜0.4之間），雖然該系統具有很高的理論容量（295〜293mAh/g），但科學家需要分析有關其結構、循環性和陰極性能的更多細節，以了解其它實際用途。

研究人員首先使用X射線衍射（XRD）和吸收以及透射電子顯微鏡（STEM），觀察這種化合物的組成、晶體結構、電子分布和粒子形態。X射線衍射圖分析表明，Mg1.33V1.67-xMnxO4具有良好的方尖晶石結構，其組成非常均勻。

接下來，研究人員進行了一系列電化學測量，以評估Mg1.33V1.67-xMnxO4的電池性能。其中使用3號電池和不同的電解質，測試Mg1.33V1.67-xMnxO4在不同溫度下產生的充電和放電特性。

研究人員觀察到，這些陰極材料具有高放電容量，尤其在Mg1.33V1.57Mn0.1O4的情況下，放電的循環次數發生了顯著的變化。

實驗人員在90°C的溫度使用一種含鎂金屬的G4（四甘醇二甲醚）電解液，對Mg1.33V1.67-xMnxO4進行充放電實驗。當X值為0.1時。初始電容量僅為73mAh/g，在第13次循環時顯示出256mAh/g的最大放電容量，另外，X值為0.2的情況下，初始電容量為77mAh/g，第10次循環時顯示215mAh/g。

為了評估合成樣品在不同環境溫度下的陰極性能，實驗人員在25°C、40°C的環境溫度下，使用另一種含鎂金屬的G3（三甘醇二甲醚）電解液進行循環的充放電實驗，發現鎂金屬的沉積和溶解，依然有很高的可逆性，代表著充放電特性佳。

為了解原因，實驗人員用XRD分析了材料中晶體結構變化，發現Mn在16d（電子的d軌域）位置具有最小的晶格畸變，讓這項Mg1.33V1.57Mn0.1O4結晶結構表現最穩固，有助於增加電容量。

實驗人員發現Mn在16 d（電子的d軌域）位置具有最小的晶格畸變，讓這項Mg1.33V1.57Mn0.1O4結晶結構表現最穩固，有助於增加電容量。（報告截圖）

另外，科學家發現釩在充電和放電循環期間，出現顯著氧化現象。這讓釩被Mn 2+取代進行電荷補償，也促成Mg1.33V1.57Mn0.1O4優異的充放電性能。

對此，出本靖教授對日本東京理科大學新聞室表示，「我們觀察到釩原子大量電荷對周圍的原子進行補償作用，導致Mg1.33V1.57Mn0.1O4比例的方晶體結構，擁有比其它鎂材料電池更優異的充放電性能，是良好的陰極候選材料。」

出本靖教授對於這次研究結果感到滿意。他表示，「未來通過研究和開發，讓鎂充電電池擁有更高的能量密度，讓其有機會超過鋰電池。」他還希望，未來鎂電池可以滿足人們對充電電池的需求，並早日代替鋰電池。

責任編輯：連書華