新研发的镁离子电池有什么优势

研究员们发现在氧化锰电池电极（Mn2O4）中，Mg2+可以轻松，可逆地嵌入LiMn2O4，和传统的锂离子电池相比，不仅提高了能量密度，在安全性和成本也都降低了，镁离子电池到底是怎么做到的呢？

在锂离子电池中，一个单电荷的锂离子在两个电极之间流动，电子是在外部电路中的流动。如果太多的锂离子嵌入两个原子层中间，那么电极的原子结构可能发生变化，这关乎着电池的充电能力。在氧化锰电池电极（Mn2O4）中，带两个正电荷的镁离子（Mg2+）可以在每个插层中提供两个电子，是相同密度的不可逆变形无电极材料中电流的两倍。本研究表明，Mg2+可以轻松可逆地嵌入LiMn2O4的。在以后，采用Mg2+嵌入插层优势的负极电池系统，其能量密度是市场上锂电池密度的两倍，甚至是多倍。

由正极和负极两种电极构成的电池，通常用绝缘体将两电极隔开。电池在使用时，电流在电池外部的电路中流动，电池内部的带电原子在两电极间流动。从电解液中插入太多的离子进入电极会导致电极的原子结构，从而限制了电池的充电能力。采用Mg2+离子代替单电荷锂离子的电池，其能量密度和插层离子电位都会提高。

目前，镁电池最重要的难题就是找到能够存储大量的Mg2+离子的阴极材料。这项研究也表明，具有尖晶石结构的Mn2O4就是可以存储大量的Mg2+离子的阴极材料。联合能源存储研究中心的研究员们发现镁可以轻松可逆地嵌入电极，科学家用四种技术来描述这种现象。

这种插层可以在元素分析用的电子显微镜下可见。X射线衍射分析证实了插层后的电极原子结构发生了变形。核磁共振（NMR）和X射线吸收光谱（XAS）进一步证实了镁插层的存在。本研究证实了在电池的正极材料中嵌入Mg2+的有效性。采用了Mg2+嵌入插层的电池相对传统的锂离子电池，不仅提高了能量密度，而且提高了电池的安全性，降低了成本。