皇冠博彩app:研究人员的这项研究有望加快镁离子固态电池的替代之路

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开发能够储存可再生能源的高效储能装置对可持续未来至关重要。在当今世界,固态可充电锂离子(Li+)电池是最先进的。但锂是一种稀土金属,社会对该元素的依赖可能会导致资源的迅速减少和随后的价格上涨。


基于镁离子(Mg2+)的电池作为锂离子电池的替代品获得了发展势头。地壳中蕴藏着丰富的镁,据说基于Mg2+的能源装置具有高能量密度、高安全性和低成本。但由于Mg2+在室温下在固体中的导电性差,限制了其广泛应用。Mg2+的固态导电性较差,因为二价正离子(2+)在固态晶体中与其相邻的负离子发生强烈的相互作用,阻碍了它们在材料中的迁移。

最近,东京科学大学(TUS)的一个研究团队克服了这个障碍。在他们于2022年5月4日和2022年5月18日在线发表于《美国化学学会杂志》第144卷第19期的新研究中,他们首次报道了一种固体Mg2+导体,其超声速电导率为10−3 S cm−1(固体电池实际应用的阈值)。Mg2+导体的电导率是迄今为止报道的最高的。


领导这项研究的美国大学副教授Masaaki Sadakiyo说:“在这项工作中,我们开发了一种叫做金属有机框架(MOFs)的材料。MOFs具有高度多孔的晶体结构,为所含离子的有效迁移提供了空间。在这里,我们额外引入了一种‘客人分子’,乙腈,进入MOF的孔隙,这成功地强烈加速了Mg2+的导电性。”该研究小组还包括同样来自TUS的yoto Yoshida先生、来自东京大学的Teppei Yamada教授、来自北海道大学的Takashi Toyao助理教授和kenichi Shimizu教授。该论文于2022年5月4日在网上公开,并于2022年5月18日发表在《科学》杂志第144卷第19期。

该团队使用一种称为MIL-101的MOF作为主要框架,然后将Mg2+离子封装在其纳米孔中。在生成的MOF基电解质中,Mg2+松散堆积,从而允许二价Mg2+离子迁移。为了进一步提高离子电导率,研究小组将电解质暴露于乙腈蒸汽中,乙腈蒸汽作为客体分子被MOF吸附。

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然后,研究小组对制备的样品进行交流阻抗测试,以测量离子电导率。他们发现Mg2+电解质表现出1.9×10的超电子电导率−3厘米−1.这是含有Mg2+的晶体固体的最高电导率。


为了理解这种高电导率背后的机理,研究人员对电解质进行了红外光谱和吸附等温线测量。测试表明,吸附在框架中的乙腈分子允许Mg2+离子有效迁移通过固体电解质主体。


本研究的这些发现不仅揭示了新型MOF基Mg2+导体作为电池应用的合适材料,还为未来固态电池的发展提供了重要见解。Sadakiyo博士解释说:“长期以来,人们一直认为二价或更高价离子不能有效地通过固体转移。在这项研究中,我们证明,如果晶体结构和周围环境设计良好,那么固态高导电导体就在研究范围之内。”


当被问及该研究小组的未来计划时,他透露,他们“希望通过开发具有更高离子电导率的二价导体进一步为社会做出贡献”。



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