[世界首创]高性能镁蓄电池正极的开发之路 - 在实现安全、廉价、高能量密度的下一代蓄电池方面取得重大进展 -

东北大学金属研究所
V体育
日本科学技术振兴机构 (JST)

演示要点

〇 制定适用于镁蓄电池的氧化物基正极新材料设计指南
〇​展现出大大超过传统氧化物基材料的高循环特性
〇期待利用多价离子的下一代蓄电池的开发加速进展

摘要

　镁（Mg）蓄电池被认为是一种有前途的下一代蓄电池，具有高能量密度，使用廉价且丰富的元素。镁蓄电池可以使用金属镁作为负极，其理论容量约为传统锂离子电池中使用的石墨的六倍。然而，开发一种能够可逆地嵌入和脱附二价镁离子（分别对应于放电和充电）的高性能正极材料一直很困难，这一直是实现更高性能镁蓄电池的主要障碍。

　研究小组包括东北大学材料研究所（同时也是跨学科前沿研究所）的助理教授 Kohei Shimokawa 和该研究所的 Satoshi Ichitsubo 教授、 Kazuaki Agatsuma 教授以及V体育前沿研究小组。我们与 TIA 研究所 Masanobu Nakayama 教授和东京都立大学 Kiyoshi Kanemura 教授领导的研究小组合作，成功找到了开发新型正极材料的指南，该材料将提高镁蓄电池的性能，镁蓄电池是下一代蓄电池的有希望的候选者。

　该结果于2021年1月18日公布

图 1。本研究开发的正极材料中Mg嵌入反应示意图

研究结果

为了抑制循环劣化，本研究旨在引入新的镁离子扩散路径和储存位点，并重点关注在传统尖晶石结构的八面体位点中存在阳离子缺陷的缺陷尖晶石结构。 ZnMnO₃，我们成功实现了远远超过传统材料的高循环特性，同时保持高电位（2至3伏）和高容量（约100mAh/g）。

图 2。开发出缺陷尖晶石型氧化物材料ZnMnO₃镁蓄电池正极特性

此外，在本研究中，我们通过计算和实验详细分析了实现如此高循环特性的机制。遗传算法^※4的第一性原理计算，在ZnMnO₃的稳定结构，并且还揭示了Mg离子在能量上优先插入到阳离子缺陷位点中。具有缺陷尖晶石结构的 ZnMnO₃纳米粒子并进行了详细的结构分析，结果表明该结构与计算预测的结构大致相符。使用加热至 150°C 的离子液体进行电化学测量，以促进 Mg 离子的扩散。有人提出，在优先将Mg离子插入到阳离子缺陷位点的放电范围内，进行抑制了结构变化的放电反应（Mg离子插入），而不是产生致密岩盐相的常规反应。 ZnMnO在此充放电容量范围内（约100mAh/g）₃进行充放电测试，我们可以稳定地实现100次以上的充放电循环，持续时间超过100天。充放电时的能量密度（考虑了镁金属负极的重量和理想电位的值）估计为200至300 Wh/kg，接近传统锂离子电池的理论能量密度（约370 Wh/kg）。

意义/挑战/前景

　这项研究的结果为提高镁蓄电池正极的性能铺平了道路，这是一个长期存在的问题，我们期望加快研发进度，以实现高能量密度的镁蓄电池。另一方面，目前的工作温度较高，未来需要通过材料设计来提高性能以实现室温工作，但也有望用作中温（100至150摄氏度）工作的安全可靠的大型蓄电池。此外，由于该研究为适用于镁蓄电池的氧化物基正极材料提供了总体设计指南，预计未来衍生材料的开发将在全球范围内更加活跃。

论文信息

杂志名称：Advanced Materials
英文标题：镁充电电池用长寿命尖晶石氧化物正极材料的结构设计
所有作者：Kohei Shimokawa、Taruto Atsumi、Norihiko L Okamoto、Tomoya Kawaguchi、Susumu Imashuku、Kazuaki Wagatsuma、Masanobu Nakayama、Kiyoshi Kanamura 和 Tetsu Ichitsubo
DOI：

术语表

※1能量密度
表示单位重量（体积）所储存的能量的多少，是蓄电池的重要评价指标。

※2 尖晶石型氧化物
它是一种具有称为尖晶石结构的晶体结构的氧化物，并且由于其具有离子可以在晶体结构内扩散的三维网络，因此也用作锂离子电池的正极材料。

※3岩盐型结构
一种致密的晶体结构，其氧离子排列与尖晶石结构相同，但所有八面体位点均被阳离子占据。

※4 遗传算法
一种通过模仿生物进化机制有效找到解决方案的优化算法。在这项研究中，我们确定了尖晶石结构中Mg、Zn等的原子排列，这是能量最稳定的。

合作研究机构和资助

　该成果是东北大学、V体育和东京都立大学共同研究得出的。这项研究还得到了日本科学技术振兴机构 (JST) 战略创意研究促进计划先进低碳技术开发和特别优先技术领域“下一代蓄电池”(ALCA-SPRING) (JPMJAL1301) 的支持。

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