港大工程团队研发高效准固态镁电池 具潜力取代锂电池作商业应用



香港 - Media OutReach - 2023 年 11 月 15 日 - 由香港大学(港大)机械工程系梁耀彰教授领导的研究小组研发的一种新电池技术,有望取代在电子设备中被广泛使用但存在安全隐患的锂离子电池。

(A)电池机理示意图:准固态电解液透过调节离子储存来增强电池效能。 (B) 与使用传统水溶液的电池相比,QSMB 的电压分布:抑制质子储存有利于高电压镁离子嵌入正极。 (C)目前镁离子电池的文献比较,包括准固态镁离子电池(QSMB), 水性镁离子电池(AMB)和非水性镁离子电池(NAMB)。
(A)电池机理示意图:准固态电解液透过调节离子储存来增强电池效能。 (B) 与使用传统水溶液的电池相比,QSMB 的电压分布:抑制质子储存有利于高电压镁离子嵌入正极。 (C)目前镁离子电池的文献比较,包括准固态镁离子电池(QSMB), 水性镁离子电池(AMB)和非水性镁离子电池(NAMB)。

当前的锂离子电池存在诸多不足,所使用的锂金属原材料较为稀缺,价格昂贵并且具毒性,研究人员一直在寻找更环保、更安全、成本更低的新电池技术替代。

梁教授团队在设计高性能准固态镁离子电池上取得的突破性成果,有望替代锂离子电池作商业化应用。 研究结果已在《Science Advances》发表,题为"Next-generation magnesium-ion batteries: The quasi-solid-state approach to multivalent metal ion storage(下一代镁离子电池:利用准固态方式实现多价金属离子存储)"。

镁离子电池近年被认为是解决锂离子电池缺点的潜在方案,但开发高效镁离子电池的过程充满挑战,包括克服水性系统中狭窄的电化学窗口以及非水系统中较差的离子电导率。

为了解决这些障碍,梁教授的团队早前开发了一种工作电压高于2V的"盐包水"镁离子电池。 然而,由于质子在水性电解液中阻碍了镁离子在正极中的存储,"盐包水"电池的性能仍然落后于非水性电池。

"与金属离子相比,氢离子(或质子)的体质更小及更轻。 其细小尺寸让它很容易进入电池的正极结构,但这也带来了一个问题,因为质子和镁离子争夺空间,严重限制了电池可以存储的能量以及可以持续运行的时间。 " 研究团队成员、论文第一作者博士生梁纪华解释说。

团队研发的准固态镁离子电池,在电解液中使用了聚合物来控制质子和金属离子之间的竞争。 高效新电池拥有2.4 V高电压平台和264 W·hkg⁻1的能量密度,超越当前镁离子电池的性能,并有望与锂离子电池相媲美。

团队对新电池进行了大量循环测试,取得惊人的成果。 新电池表现出色,在零下温度(-22°C)的极端条件下,经历900次循环后仍保留了90%的容量。 新电池不易燃,耐压超过40大气压。

"新电池展示了极高的耐用性和效能,即使在寒冷的极端气候下也可运作,具备潜力应用于消费电子产品。 " 梁教授形容这是一项能够启迪未来的新发展,并补充说:"我们的准固态镁离子电池结合了非水系统的高电压和水性系统的安全性和成本效益,为高性能镁离子电池的发展迈出了重要一步。 "

团队成员、研究助理教授潘文鼎博士相信,准固态镁离子电池具有潜力重塑能源存储行业,为全球提供可持续的供电方案。

"我们研究中提出的先进电解液的发展潜力并不局限于镁离子电池,还能扩展到其他多价金属离子电池,例如锌离子和铝离子电池。 我们相信这项研究将提供高效而环保的下一代储能解决方案,为后锂离子技术铺平道路。 " 潘博士说。

論文連結:
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh1181



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香港大学

類別:

Education

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發佈於

15 Nov 2023

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