日本东北大学等：开发出可实现镁蓄电池快速充放电的新型材料

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摘  要：镁蓄电池与锂离子蓄电池相比，更安全、更便宜且容量更大，因此被认为是有发展前景的下一代蓄电池。虽然期待镁蓄电池能够尽早实现实用化，但仍有许多需要克服的课题。本文将介绍有望解决下一代蓄电池课题的最新研究。

关键字：镁蓄电池、新型材料、硫基正极复合材料、下一代蓄电池、多孔硫化物

镁蓄电池的实用化前途光明

蓄电池可以用作电动汽车（EV）的车载蓄电池和应对紧急情况的家用蓄电池系统等，因此其需求正在不断增加。今后，为了实现可持续发展社会，必须提高蓄电池的性能。近年来，以硫为活性物质（化学能和电能转换时负责氧化还原反应的物质）的正极材料备受关注。

现有蓄电池中，使用氧化型插层材料（能够在晶体结构中插入和脱附离子的材料）作为正极材料，但是该材料已经接近性能的理论极限。与之相比，硫的理论容量远远超过该氧化型插层材料，而且，硫在自然界的资源丰富，因此有望降低蓄电池的成本。

但是，硫也具有导电性低这一明显缺点。

因此，为了将硫用作正极，除了需要和导电性物质混合等复杂的工序外，还需要克服硫及其反应中间体（从化学反应的反应物到成为最终产物的过程中生成的物质）会溶于电解液中这一课题。

特别是有望作为下一代蓄电池的镁蓄电池中，镁离子在固体中的扩散速度缓慢，因此难以获得高性能的正极材料。

对此，日本东北大学金属材料研究所（兼前沿跨学科研究所）的研究小组宣布，利用液态硫成功开发出用于镁蓄电池的新型硫基正极复合材料。

研究小组提出的新型硫基正极材料的概念图。通过电化学方法使金属元素成分从金属硫化物中脱附，制成由液态硫（活性物质）和多孔硫化物（导电框架）组成的复合物。

可以应用于各种各样的硫化物

本次发表的硫基正极复合材料通过与离子液体（电解液）相结合，可以在约150℃（高于约120℃的硫熔点）的温度下运行，并且可以用于高速的液体反应。

此外，多孔硫化物在保证导电性的同时，还起到将硫封存在正极中以防止其溶于电解液的作用。

研究小组为了证实这一概念，制作了以二硫化铁为金属硫化物的液态硫（S）/二硫化铁（FeS₂）复合材料。在150℃的离子液体中进行了电化学测试，并从各个角度验证了其充放电特性。

用于实验的液态硫（S）/二硫化铁（FeS₂）复合材料在150℃下的充放电特性。明确了基于所生成的硫（活性物质），能够以1246mA/g的高电流密度和约900mAh/g的高容量进行充放电。

放电后电极的横截面观察结果。结果表明，由于铁的脱附，在二硫化铁颗粒中形成的孔隙中与镁发生反应。在图中边框线所包围的区域中，孔隙中铁的分布明显减少，而硫却没有明显变化。也就是说，可以证实由于铁的脱附而生成的硫容易滞留在颗粒内。

实验结果表明，非平衡状态下的放电会引起比平衡状态更高电位的放电反应。在快速充电后立即开始放电，放电发生的电位比以往高约1V。在相同条件下进行充电，并在放置1小时后进行放电的情况下，没有观察到这种高电位的反应。

此外，硫基正极通常面临循环特性不良的课题，但使用耐热性粘合剂制作电极并进行充放电试验后发现，可以保持50次以上的稳定充放电循环。

此外，在使用二硫化钴（CoS₂）和二硫化钛（TiS₂）的情况下也发现了这种充电特性。

研究小组表示，“已经明确（这个概念）可以应用于许多硫化物，通过今后的研究有望进一步提高正极性能。”

本次的研究结果对于提高蓄电池的性能具有重要意义。

为了尽早实现下一代蓄电池的实用化，期待研究的进一步加速。

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翻译：王宁愿

审校：李   涵

  贾陆叶

统稿：李淑珊

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