在电池的阴极和阳极之间来回传送电荷的电解质在所有商用电池中都是液体，这使得它们可能易燃，特别是在锂离子电池中。具有成为电解质潜力的固态导体将具有更强的耐火性。
能源部劳伦斯伯克利实验室(伯克利实验室)和阿贡实验室的研究人员正在研究一种镁电池，它比锂提供更高的能量密度，但由于缺乏液体电解质的良好选择而受到阻碍，其中大部分都倾向于腐蚀电池的其他部分。“镁是一种新技术，它没有任何好的液体电解质，”伯克利实验室高级系科学家Gerbrand Ceder说。“我们想，为什么不跳过并制造固态电解液?”
他们提出的材料，镁钪尖晶石，镁的流动性可与锂电池的固态电解质相媲美。他们的研究结果在Nature Communications的一篇题为“三元尖晶石硫属元素中的高镁迁移率”的论文中有报道。能源部创新中心JCESR赞助了这项研究，主要作者是伯克利实验室的博士后研究员Pieremanuele Canepa和Shou-Hang Bo。
“在计算材料科学方法，合成和各种表征技术的共同努力的帮助下，我们已经确定了一类新的固体导体，可以以前所未有的速度输送镁离子，”Canepa说。
与麻省理工学院和阿贡的合作
该研究小组还包括提供计算资源的麻省理工学院的科学家和阿贡，他们提供了镁钪尖晶石材料的关键实验确认，以记录其结构和功能。
共同作者，Argonne的研究化学家Baris Key进行了核磁共振(NMR)光谱实验。这些测试是实验证明镁离子能够像理论研究预测的那样快速穿过材料的第一步。
“通过实验证实快速镁跳跃至关重要。理论和实验并不经常相互认可，”Key说。“这种化学反应的固态核磁共振实验非常具有挑战性，如果没有专门的资源和JCESR等资金来源，这是不可能的。正如我们在本研究中所展示的那样，对短程和长程结构的深入理解和离子动力学将是镁离子电池研究的关键。“
核磁共振类似于磁共振成像(MRI)，其通常用于医疗环境中，其中显示人体肌肉，神经，脂肪组织和其他生物物质中的水的氢原子。但研究人员还可以调整核磁共振频率以检测其他元素，包括电池材料中的锂离子或镁离子。
然而，来自镁钪钪材料的NMR数据涉及具有复杂性质的未知结构的材料，使得它们难以解释。
Canepa指出了测试新材料的挑战。“议定书基本上不存在，”他说。“除了传统的电化学表征外，这些发现只能通过结合多技术方法(在阿贡的固态核磁共振和同步加速器测量)来实现。”
做不可能的事
该团队计划进一步开展工作，将导体用于电池中。“这可能还有很长的路要走，你可以用它制造电池，但这是第一次证明你可以通过它制造具有非常好的镁流动性的固态材料，”Ceder说。“人们认为镁在大多数固体中运动缓慢，所以没有人认为这是可能的。”
此外，该研究还发现了两种相关的基本现象，这两种现象可能在不久的将来显着影响镁固体电解质的发展，即抗位点缺陷的作用以及电子和镁电导率的相互作用，两者最近都发表在“材料化学”杂志上。
现任上海交通大学助理教授的薄熙来表示，这一发现可能对能源格局产生巨大影响。他说：“这项工作汇集了来自不同科学领域的优秀科学家团队，他们首先尝试了制造固态镁电池的艰巨挑战。” “虽然目前处于起步阶段，但这种新兴技术可能会在不久的将来对能源储存产生变革性影响。”
Gopalakrishnan Sai Gautam是另一位合着者，曾是伯克利实验室的子公司，目前在普林斯顿大学，他说，由JCER等DOE中心提供的团队方法至关重要。“这项工作表明了在高度协作的环境中使用各种理论和实验技术来制定重要的基础发现的重要性，”他说。
Ceder对这一发现的前景感到兴奋，但警告说仍有工作要做。“制造固态电池在工业上付出了巨大的努力。这是圣杯，因为你将拥有最终的安全电池。但我们仍有工作要做。这种材料显示出少量的电子泄漏，必须是在它可用于电池之前被移除。