TOF-SIMS质谱仪帮助新电池开发 储能2倍于锂电池

　　美国能源部可再生能源实验室(NREL)的科学家们开发了一种制造可充电无水镁电池的新方法。

　　近期刊登在Nature Chemistry上的一篇论文引起了轰动，该篇论文详细阐述了科学家开发镁金属在无腐蚀性碳基电解质中发生可逆化学反应的过程，并且该过程通过了接下来的测试。比起锂离子电池，该技术具有更有潜力的优势——其中最大的优势是具有更高的能量密度、更强的稳定性和更低的成本。

　　Seoung-Bum Son, Steve Harvey, Andrew Norman 和 Chunmei Ban是NREL的研究人员，同时也是Nature Chemistry 白皮书《碳酸盐中人造可逆的镁化学反应》的合著者，他们利用飞行时间二次离子质谱仪来辅助自己的研究工作。该设备可以帮助他们在纳米尺度上研究材料退化和失效机制。

　　NREL材料科学部门的科学家、《碳酸盐中人造可逆的镁化学反应》的作者之一Chunmei Ban表示：“作为科学家，我们总是在想接下来会发生什么。”她认为在市场上占主导地位的锂离子电池技术已经触摸到了技术上的天花板，因此迫切需要探索新的化学电池技术，以更低的成本提供更多的能量。

　　NREL前博士后，现科学家科学家，该论文的第一作者Seoung-Bum表示：“这一发现将为镁电池的设计提供新的途径。”其他合著者则是Steve Harvey, Adam Stokes, 和 Andrew Norman。当离子从负极流向正极时，电化学反应就会使电池产生能量。对于锂电池来说，电解液是含有锂离子的盐溶液。而电池技术的关键在于化学反应必须是可逆的，只有这样电池才能实现充电过程。

　　理论上讲，同体积的镁(Mg)电池所能储存的能量几乎是锂离子电池的两倍。但是之前的研究遇到了一个难题：传统的碳酸盐电解质会因为化学反应在镁表面形成一道屏障，这会阻碍电池的充电过程。镁离子可以通过高腐蚀性的液体电解质流向相反的方向，但这也打消了高压镁电池的可能性。

　　而为了解决这个难题，研究人员开发了一种由聚丙烯腈和镁离子盐组成的人工固体电解质夹层，这可以保护镁阳极表面。而最终这种受保护阳极的性能也得到了改善。

NREL科研人员攻克可充电镁电池难关示意图(图片来源：John Frenzl)

　　上文中的插图显示了NREL的科学家是如何解决可充电镁电池问题的。

　　科学家们组装了标准电池，证明了人工中间相的有效性，而最终的结果也令人十分欣喜：Mg在具有保护阳极的电池的碳酸盐电解质中发生了可逆化学反应，这一现象是镁电池领域的首次发现。与没有保护阳极的原型电池相比，带有保护阳极的镁电池可以提供更多的能量，并且可以维持周期性的充放电过程。此外，该科研小组还充分展示了镁电池的充电能力，这也首次为解决阳极/电解质不相容问题以及离子离开阴极收到限制的问题提供了解决方法。

　　与锂相比，镁的获取范围更广，并且与锂电池这种更成熟的电池技术相比，镁电池还具有其他的潜在优势。首先，镁可以释放两个电子，这是锂的两倍，这使得它可以产生几乎两倍于锂的能量。其次，镁电池中没有枝晶的生长，这种枝晶很容易导致短路，从而导致过热甚至事故的发生，这种特质使得镁电池比锂离子电池更加安全。