目前，以锂离子电池为代表的储能系统广泛应用于动力电池、大规模储能等领域。然而，当前锂离子电池技术仍面临成本高、安全性差、锂原材料供应有限等严峻挑战。那么谁将成为下一代电池呢？镁金属电池因其安全性高、成本低、原材料来源丰富、体积能量密度高(3833Ah/L)而成为下一代电池的重要选择。从应用角度来看，镁金属电池在低速电动汽车、大规模储能等领域具有巨大的应用潜力。同时，镁金属电池在较宽的温度范围内表现出优异的运行性能，使其在航空航天、极地科学研究、地质勘探等极端条件下具有巨大的应用价值。
照片) 实验室研究员崔光来(提供： 崔光来)
近日，中国科学院青岛生物能源研究所（青岛能源所）与青岛科技大学等团队合作，研发出一种自支撑单离子导体聚合物电解质。支持电池运行温度高达150C 的系统。 条件下运行，有效推动高温、高安全电池系统的发展。此外，目前镁电池所使用的隔膜主要由玻璃纤维制成，缺乏柔韧性且价格昂贵，难以大规模生产。新开发的耐高温镁电池电解液不仅是一种高度柔性、自支撑的聚合物膜，而且可以利用“卷对卷”技术利用现有设备进行连续批量生产。有成本优势。审稿人在评价这项研究时表示，“这项研究报道了一种新型的独立式单离子导体镁聚合物电解质，具有高镁离子转移数和安全性，极大地扩展了镁电解质的应用范围。”他评论道。
图丨相关论文（来源：Advanced Energy Materials）
最近发表在Advanced Energy Materials 上的一篇相关论文，标题为《坚韧的自支撑单离子聚合物电解质实现镁电池高温下的安全运行》（Robust、独立式、单离子聚合物电解质，可在高温下实现安全的镁电池）[1]。青岛能源学院葛雪松助理研究员、宋福臣硕士、杜敖兵博士后研究员为该论文的共同第一作者，青岛能源学院崔光雷研究员和青岛科技大学周新红教授为该论文的共同第一作者。 -本文的主要作者。论文共同通讯作者。
崔光磊表示：“这项研究最重要的进展是制备了独立式单离子导体聚电解质，并实现了首个在150高温下稳定充放电循环的镁金属电池。是的。”他说。
图丨独立式单离子导体镁聚合物电解质（来源：研究团队）
研究历时两年多，研究过程中最困难的部分是平衡和统一离子电导率、镁离子运动量、机械性能、化学/电化学稳定性和热稳定性，是如何实现性的。这种自支撑聚合物电解质的主要优点是其高电化学稳定性。其电化学窗口达到4.8V（相对于Mg/Mg2+）。其高氧化稳定性确保电解液可以在高电压下使用。这是一场积极的比赛。为了获得更高的镁离子迁移数，研究人员设计了一种聚合镁盐结构，将阴离子捕获在聚合物主链中并增加镁离子迁移数。正是由于单离子导体状结构的设计，自支撑聚电解质中镁离子的迁移数显示出0.79的高值，远高于传统液体电解质的相关数据。 “较高的转移数可以减少电极界面的极化，有利于减少副反应的发生。”崔光磊说。
图丨自支撑式单离子导体聚合物膜的制作（来源：Advanced Energy Materials）
随后，我们在聚合物结构中引入交联点，通过交联改善电解质膜的机械性能，实现了优异的机械性能。根据相关实验结果，研究人员发现组装好的镁金属电池能够保持稳定的长期循环，且循环后镁阳极表面没有发现明显的不均匀沉积或其他现象。此外，我们还选择了比烷基镁更稳定的醇盐镁结构，以提高负极的相容性和电解液的热稳定性。由独立式聚合物电解质组装而成的电池的工作温度范围为30C 至150C。根据实验数据，组装纽扣电池在30、0.5C倍率下循环200次后容量保持率为92%，组装软包电池在30、0.5C倍率下容量保持率为92%。 C倍率：0.3C倍率下100次循环后的容量保持率。容量保持率为84%。
图丨电池充放电性能测试（来源：Advanced Energy Materials）
葛先生底下也稳。” ”
它们可能用于地下资源勘探、太空探索等领域，但目前市售的锂离子电池的工作温度如果超过80，就会出现明显的性能劣化、热失控、爆炸等各种故障问题发生。甚至可能引发严重的安全事故。镁的熔点为651，化学稳定性高，枝晶生长的可能性低，成本低，因此高安全性和耐高温的优点越来越突出。耐高温镁电池的关键是耐高温电解质体系的开发。特别是近年来，太空探索和地下资源勘探的需求日益增加，镁金属电池在高温（100）、高安全性特种电池领域具有重要的应用潜力。
图丨安全性能测试（来源：先进能源材料公司）
但传统液态镁电池电解液在使用时，大多采用低沸点醚类溶剂作为电解液主要成分，存在易燃、爆炸等安全隐患，仅适用于。限制该行业的发展。本研究的自支撑耐高温镁电池聚合物电解质体系“解决”了相关问题，实现了镁金属电池在150高温下的稳定充放电循环，大大拓展了镁电解液的应用范围。崔光雷表示，热稳定性高、阻燃性好、工作温度范围宽等优点有望使电池未来在地下资源勘探、太空探索等特殊领域得到应用。他指出
图丨自支撑聚合物电解质的镁电导率和电化学稳定性（来源：Advanced Energy Materials）
事实上，镁电池很早就被用作各种军事装备的备用电源，但基本上都是一次电池。使用金属镁作为负极的二次电池被称为“金属镁二次电池”，但目前金属镁二次电池的实际应用仍处于早期阶段。崔光磊认为，要实现镁金属二次电池的规模化应用，需要进行更深入、系统的研究和经验积累，特别是在高性能电解液和正极材料的开发方面。对于镁金属二次电池需要改进的技术问题，他表示，需要进一步提高电解液的安全性和室温下的离子电导率，以及正极材料的放电电压和循环稳定性。 塔.
全固态电池技术具有实现全面商业化并促进电池领域创新的潜力。崔光磊，青岛能源研究所研究员，国家自然科学基金优秀青年研究员奖获得者，国家重点研发计划首席研究员。项目新能源汽车专项高比能量固体锂电池技术项目中科院深海智能技术试点专项能源项目主任，主要从事深海智能技术主要材料及系统的研究与开发试点特殊能源项目。固态电池。中国科学院化学研究所博士毕业后，在德国马克斯普朗克固体研究所担任项目骨干，并在马克斯普朗克固体研究所从事博士后研究工作。普朗克聚合物研究所。在德国研究。
图：蔡光利团队在镁电池方面取得的部分科研进展（来源：同一团队）
为了解决镁电池领域科研的核心问题，蔡光磊教授带领团队开展了一系列研究，目前团队在镁金属二次电池高性能电解液开发方面取得了成果。电池。一系列重要进展，包括负极界面的优化和可转换镁存储阴极的探索。他们开发了一系列高性能有机硼酸盐基镁电解质。以硼为中心的大阴离子镁盐具有非亲核特性，可与硫阴极的高比容量相媲美[2,3]。此外，还开发了可在较宽温度范围（-20C至60C）下运行的硼酸基凝胶聚合物镁电解质[4]。此外，还解决了镁金属二次电池制造过程中的重大技术难题，实现了正极、电解液等关键材料的批量样机，开发出单电芯560Wh高能量密度/公斤。据悉，相关技术正在与企业合作进行产业研究和应用示范。
图片| 崔光磊团队（来源：团队）
崔光磊领导的团队主要从事高能固态电池关键材料和系统的研究。他们正致力于提高固体电解质的室温离子电导率，改善固体电解质与电极之间的界面，积极推动固态电池的产业化发展。对于全固态电池技术的未来，崔光磊表示，“目前，中国的储能技术已经处于世界领先水平，技术将会更加成熟。”实现全固态电池完全商业化，推动电池领域技术创新。 ”
参考文献：1.Xuesong Ge, Fuchen Song, Aobing Du et al. Robust Self-Standing Single-Ion Polymer Electrolytes Enabling High-Safety Magnesium Batteries at Elevated Temp. Advanced Energy Materials2201464(2022). https://doi.org/10.1002/aenm. 2022014642张中华等人，先进能源材料7(11): 1602055 (2017). https://doi.org/10.1002/aenm.201602055
3.杜敖丙等.能源环境科学10(12): 2616-2625(2017).4.杜敖丙等.先进材料31(11): 1805930(2019).https://doi.org/10.1002/adma.201805930
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