开发出可在室温下从镁蓄电池中提取大量能量的正极材料──朝着实现可替代锂离子电池的廉价、高性能蓄电池迈出的重要一步──

东北大学综合材料科学研究所
东北大学材料研究所
庆应义塾大学
东京农工大学
V体育

演示要点

〇​下一代蓄电池“镁蓄电池”^注1注2
〇 作为全日本研究团队，结合技术开发新材料
〇 镁蓄电池在室温下的高能运行现已成为可能

摘要

锂离子电池是日常生活必不可少的蓄电池^注1然而，由于需求的增加和资源供应链风险的增加，下一代蓄电池的开发正在全球范围内取得进展。使用地球上储量丰富的镁代替稀有金属锂的镁蓄电池作为安全且廉价的蓄电池而受到关注。目前高能量密度的镁蓄电池^注3
　由东北大学多学科材料科学研究所讲师 Hiroaki Kobayashi 和庆应义塾大学教授 Hiroaki Imai 领导的研究小组开发了一种尖晶石型材料，被视为一种有前途的镁蓄电池正极材料^注4镁锰氧化物（MgMn₂O₄)。作为全日本研究团队，我们开发了一种新材料合成技术，汇集了各个研究所擅长的纳米颗粒技术、多孔技术等，并成功合成了超多孔和极细纳米颗粒尖晶石。通过使用开发的尖晶石材料作为正极，镁蓄电池可以在室温下以高能量水平运行。
　该成果发表于2023年1月20日《美国化学会纳米技术杂志》

研究背景和历史

　锂离子电池被安装在智能手机等各种便携式电子设备中，现已成为日常生活的必需品，但预计未来对电动汽车车载电池等大型蓄电池的需求将进一步增加。另一方面，锂离子电池使用钴、镍等稀有金属，由于这些金属资源的枯竭和全球形势的变化，稀有金属价格飙升，供应链风险加大。为了规避稀有金属资源约束和供应链风险，同时也以提高产业竞争力为目标，有必要开发利用无稀有金属资源的下一代蓄电池（后锂离子电池）。
　通过使用资源丰富的镁代替锂，有望降低成本。此外，出于安全考虑，锂离子电池负极需要使用能量密度较低的碳材料，而镁的安全性较高，可以直接使用金属镁作为负极。预计这将显着增加体积能量密度。世界各地正在对使用镁金属的蓄电池进行研究，预计其成本低、安全性高且具有高体积能量密度。
　硫化物材料已被开发为镁蓄电池的正极材料，但硫化物正极由于工作电压较低，能量密度较低，而为了超过当前锂离子电池的能量密度，需要使用能够在高电压下工作的氧化物材料。然而，镁离子与氧化物离子有很强的亲和力，目前尚未发现能够高速输送镁进出的氧化物正极材料。

研究内容

　研究小组对 MgMn 感兴趣，这是一种有前途的材料₂O₄²/g的超小纳米尖晶石。以往研究开发的尖晶石材料大多粒径在10 nm左右，比表面积在100 m²/g，表明所开发的材料是一种非常特殊的材料。新开发的材料表面与水牢固结合，但通过在低温下对其进行热处理并激活氧化物表面，我们发现在室温下可以进行理论容量270mAh/g的放电。

未来展望

　此次开发的技术实现了高能镁蓄电池的室温运行，有望在研发到实际应用方面取得重大进展。由于它是由镁和锰组成，而镁和锰是丰富的资源，因此也可以制造不含稀有金属的镁蓄电池。此外，本次开发的超多孔超小型纳米颗粒预计不仅可应用于下一代蓄电池正极材料，还将应用于催化剂材料和吸附材料，研究进展有望为低碳社会和全球变暖对策做出贡献。

图1 超多孔MgMn₂O₄极小的纳米粒子的示意图（左）和电子显微镜图像（右）。

关于研究

　这项研究由东北大学多学科材料科学研究所讲师 Hiroaki Kobayashi、Satoshi Honma 教授、材料研究所 Tetsu Ichitsubo 教授、东京农工大学 Yoichi Tominaga 教授、国立材料科学研究所首席研究员 Toshihiko Bandai、V体育工学研究生院和庆应义塾大学教授 Masanobu Nakayama 共同完成。这是通过与今井弘明教授等人的共同研究而获得的。这项研究还得到了日本科学技术振兴机构 (JST) 战略基础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。

论文信息

标题：超多孔、超小型 MgMn₂O₄室温镁充电电池的脊髓阴极
作者：Hiroaki Kobayashi、* Yu Fukumi、Hiroto Watanabe、Reona Iimura、Naomi Nishimura、Toshihiko Mandai、Yoichi Tominaga、Masanobu Nakayama、Tetsu Ichitsubo、Itaru Honma、Hiroaki Imai*
出版杂志：ACS Nano
DOI：

*通讯作者

术语解释

注1镁蓄电池、锂离子电池
“镁蓄电池”是指以金属镁为负极、氧化物或硫化物为正极、可反复放电和充电的二次电池（蓄电池）。放电期间，镁离子作为电荷载体在电解质中从负极移动到正极。一次放电即可用完的原电池称为“镁电池”。对于以锂离子为载体的电池，二次电池为“锂离子电池”，一次电池为“锂电池”。

电荷载体（载体）	原电池	二次电池（蓄电池）
锂离子 (Li+）	锂电池	锂离子电池
镁离子（Mg2+）	镁电池	镁蓄电池

注2正极材料
电池放电期间接收从负极移动通过电解质的离子的电极。就二次电池而言，充电期间会释放离子。硫化物材料已被开发作为镁蓄电池的正极材料。但硫化物正极由于工作电压较低，能量密度较低，尚未能超过目前锂离子电池的能量密度。

注3能量密度
“能量密度”是指每单位体积或单位质量可以从电池中提取的能量。前者是(瓦时/ℓ)，后者是(瓦时/千克）。另外，每单位质量可以提取的功率，或者换句话说，每秒可以提取的最大电量，称为“功率密度”（瓦/千克代表）。能量密度和功率密度是电池性能的指标。

注4尖晶石类型
“尖晶石”是一种由镁 (Mg) 和铝 (Al) 组成的天然氧化物矿物，其成分为 MgAl₂O₄尖晶石的晶体结构称为尖晶石结构或尖晶石型晶体结构，AB₂O₄（A和B代表元素）。

联系信息

研究相关

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讲师小林弘明
电话：022-217-5816
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电话：045-566-1556
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电话：042-388-7058
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