港大工程團隊研發(fā)高效準固態(tài)鎂電池 具潛力取代鋰電池作商業(yè)應(yīng)用

由香港大學（港大）機械工程系梁耀彰教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研發(fā)的一種新電池技術(shù)，有望取代在電子設(shè)備中被廣泛使用但存在安全隱患的鋰離子電池。

（A）電池機理示意圖：準固態(tài)電解液透過調(diào)節(jié)離子儲存來增強電池效能。 （B） 與使用傳統(tǒng)水溶液的電池相比，QSMB 的電壓分布：抑制質(zhì)子儲存有利于高電壓鎂離子嵌入正極。 （C）目前鎂離子電池的文獻比較，包括準固態(tài)鎂離子電池（QSMB）， 水性鎂離子電池（AMB）和非水性鎂離子電池（NAMB）。

當前的鋰離子電池存在諸多不足，所使用的鋰金屬原材料較為稀缺，價格昂貴并且具毒性，研究人員一直在尋找更環(huán)保、更安全、成本更低的新電池技術(shù)替代。

梁教授團隊在設(shè)計高性能準固態(tài)鎂離子電池上取得的突破性成果，有望替代鋰離子電池作商業(yè)化應(yīng)用。 研究結(jié)果已在《Science Advances》發(fā)表，題為"Next-generation magnesium-ion batteries： The quasi-solid-state approach to multivalent metal ion storage（下一代鎂離子電池：利用準固態(tài)方式實現(xiàn)多價金屬離子存儲）"。

鎂離子電池近年被認為是解決鋰離子電池缺點的潛在方案，但開發(fā)高效鎂離子電池的過程充滿挑戰(zhàn)，包括克服水性系統(tǒng)中狹窄的電化學窗口以及非水系統(tǒng)中較差的離子電導(dǎo)率。

為了解決這些障礙，梁教授的團隊早前開發(fā)了一種工作電壓高于2V的"鹽包水"鎂離子電池。 然而，由于質(zhì)子在水性電解液中阻礙了鎂離子在正極中的存儲，"鹽包水"電池的性能仍然落后于非水性電池。

"與金屬離子相比，氫離子（或質(zhì)子）的體質(zhì)更小及更輕。 其細小尺寸讓它很容易進入電池的正極結(jié)構(gòu)，但這也帶來了一個問題，因為質(zhì)子和鎂離子爭奪空間，嚴重限制了電池可以存儲的能量以及可以持續(xù)運行的時間。 " 研究團隊成員、論文第一作者博士生梁紀華解釋說。

團隊研發(fā)的準固態(tài)鎂離子電池，在電解液中使用了聚合物來控制質(zhì)子和金屬離子之間的競爭。 高效新電池擁有2.4 V高電壓平臺和264 W·hkg?1的能量密度，超越當前鎂離子電池的性能，并有望與鋰離子電池相媲美。

團隊對新電池進行了大量循環(huán)測試，取得驚人的成果。 新電池表現(xiàn)出色，在零下溫度（-22°C）的極端條件下，經(jīng)歷900次循環(huán)后仍保留了90%的容量。 新電池不易燃，耐壓超過40大氣壓。

"新電池展示了極高的耐用性和效能，即使在寒冷的極端氣候下也可運作，具備潛力應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品。 " 梁教授形容這是一項能夠啟迪未來的新發(fā)展，并補充說："我們的準固態(tài)鎂離子電池結(jié)合了非水系統(tǒng)的高電壓和水性系統(tǒng)的安全性和成本效益，為高性能鎂離子電池的發(fā)展邁出了重要一步。 "

團隊成員、研究助理教授潘文鼎博士相信，準固態(tài)鎂離子電池具有潛力重塑能源存儲行業(yè)，為全球提供可持續(xù)的供電方案。

"我們研究中提出的先進電解液的發(fā)展?jié)摿Σ⒉痪窒抻阪V離子電池，還能擴展到其他多價金屬離子電池，例如鋅離子和鋁離子電池。 我們相信這項研究將提供高效而環(huán)保的下一代儲能解決方案，為后鋰離子技術(shù)鋪平道路。 " 潘博士說。