镁离子电池将要取代锂离子电池？电压过低的问题怎么解决？
来源：宝鄂实业
2019-04-25 09:12
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随着新能源汽车市场的快速崛起和储能市场的快速发展，对锂离子电池的需求也在不断攀升，市场需求的激增也让人们普遍担忧全球相关资源的储量能否支撑汽车大规模电动化和储能需求的大幅增加，甚至有人担心未来会不会出现能够左右全球能源格局的新“中东”地区。对于锂离子电池前景的担忧也促使人们不断尝试开发新型，这其中Mg离子电池凭借着优异的安全性（无枝晶）、低廉的价格的优势吸引了广泛的关注，那么在后锂离子电池时代Mg离子电池能够脱颖而出呢？
Mg离子电池面临的挑战
虽然Mg离子电池在理论上具有优异的性能，但是要Mg离子电池要成功商用还需要克服不少的难题，例如能够让金属镁负极稳定充放电的电解液的开发、高稳定正极材料的开发和低电压问题等。
1.电解液
在锂离子电池中负极表面的SEI膜能够起到保护负极，减少副反应的作用，但是研究表明Mg离子电池中负极表面形成的SEI膜不仅是电子的绝缘体，也是离子的绝缘体，因此在Mg离子电池中要极力避免形成负极SEI膜。传统的水溶液会在Mg负极表面形成一层MgO层，从而严重的抑制Mg2+的扩散，导致极化急剧增加，因此目前Mg离子电池的电解液基本上都使用醚类体系，常见的醚类电解液主要分为三类：1）有机金属复合物电解液；2）传统Mg盐电解液；3）B盐电解液，这些电解液都能够有效的避免Mg负极表面产生SEI膜。
2.正极材料
相比于电解液，Mg离子电池正极材料的开发显得更为棘手，镁离子电池正极材料开发主要面临一下几个问题：
MgO惰性层：目前常见的Mg离子电池正极材料在嵌入的过程中会不可逆的生成一层MgO层，从而影响Mg2+的扩散，导致正极材料的可逆性较差。
Mg2+低扩散系数：Mg2+在正极材料中扩散系数低主要来自两方面的原因：首先是由于离子之间较强的相互作用，影响了Mg2+的扩散速度；其次是Mg2+带有两个电荷，使得在嵌入的过程中无机正极材料中过渡金属元素需要失去两个电子，然而大多数过渡金属氧化物都是单电子反应，这也进一步降低了Mg2+的嵌入速率，同时双电荷导致的复杂电化学反应也会导致材料局部的相变。在这些因素的作用下导致Mg离子电池的正极材料面临着低容量、低电压、低倍率性能等一系列问题。
为了克服这一问题，人们也做了非常多的努力，例如采用介孔和纳米微孔材料减少Mg2+的扩散距离，而三元钼硫化合物MxMo6X8很好的解决了倍率性能差这一问题，但是仍然面临着电压平台低的问题。
电压平台低：低电压问题一直困扰着Mg离子电池，Mg2+的高反应活性导致的更加复杂的电化学特性使得高电压的正极材料难以应用，因此使得Mg负极与正极材料之间的电势差缩小导致了Mg离子电池的电压较低。
Mg离子电池面临的挑战
虽然Mg离子电池在理论上具有优异的性能，但是要Mg离子电池要成功商用还需要克服不少的难题，例如能够让金属镁负极稳定充放电的电解液的开发、高稳定正极材料的开发和低电压问题等。
1.电解液
在锂离子电池中负极表面的SEI膜能够起到保护负极，减少副反应的作用，但是研究表明Mg离子电池中负极表面形成的SEI膜不仅是电子的绝缘体，也是离子的绝缘体，因此在Mg离子电池中要极力避免形成负极SEI膜。传统的水溶液会在Mg负极表面形成一层MgO层，从而严重的抑制Mg2+的扩散，导致极化急剧增加，因此目前Mg离子电池的电解液基本上都使用醚类体系，常见的醚类电解液主要分为三类：1）有机金属复合物电解液；2）传统Mg盐电解液；3）B盐电解液，这些电解液都能够有效的避免Mg负极表面产生SEI膜。
2.正极材料
相比于电解液，Mg离子电池正极材料的开发显得更为棘手，镁离子电池正极材料开发主要面临一下几个问题：
MgO惰性层：目前常见的Mg离子电池正极材料在嵌入的过程中会不可逆的生成一层MgO层，从而影响Mg2+的扩散，导致正极材料的可逆性较差。
Mg2+低扩散系数：Mg2+在正极材料中扩散系数低主要来自两方面的原因：首先是由于离子之间较强的相互作用，影响了Mg2+的扩散速度；其次是Mg2+带有两个电荷，使得在嵌入的过程中无机正极材料中过渡金属元素需要失去两个电子，然而大多数过渡金属氧化物都是单电子反应，这也进一步降低了Mg2+的嵌入速率，同时双电荷导致的复杂电化学反应也会导致材料局部的相变。在这些因素的作用下导致Mg离子电池的正极材料面临着低容量、低电压、低倍率性能等一系列问题。
为了克服这一问题，人们也做了非常多的努力，例如采用介孔和纳米微孔材料减少Mg2+的扩散距离，而三元钼硫化合物MxMo6X8很好的解决了倍率性能差这一问题，但是仍然面临着电压平台低的问题。
电压平台低：低电压问题一直困扰着Mg离子电池，Mg2+的高反应活性导致的更加复杂的电化学特性使得高电压的正极材料难以应用，因此使得Mg负极与正极材料之间的电势差缩小导致了Mg离子电池的电压较低。
