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1、Magnesium Battery,镁离子电池,一、发展历程,发展背景：1、能源环境危机2、环境受到严重破坏3、实现汽车电动化模式4、高能量密度电池的需求,进入21世纪，人们面临着经济和环境的双重考验，就迫切的需要解决能源问题。 便捷、经济、绿色的能源已成为人类生活的重要组成部分。对高能量密度、长寿命、无污染电池体系的的开发，也就成为世界各国研究的热点。,The need for economical and sustainable energy storage drives battery research today. While Li-ion batteries are the most
2、 mature technology. One of the main challenges of electrical energy storage is the development of environmentally friendly battery systems with high safety and high energy density. Magnesium-ion batteries may prove to be viable alternatives.,Research into rechargeable magnesium-ion batteries is very
3、 much in its infancy. In spite of pioneering work by Gregory et al. in the late 1980s, progress in magnesium-ion batteries research was scarce in the wake of the commercialization of Li-ion batteries by Sony in 1991.,Then in 2000, Aurbach et al. contributed key breakthroughs to the electrolyte and c
4、athode materials that have since enabled more widespread interest in the subject.,二、商业化情况,日本在2014年推进的一项空气镁电池的大容量化研究中，参与的机构包括古河电池、尼康、日产汽车、日本东北大学、宫城县日向市等产业界、学界、政府方面的11个单位。丰田更是多次明确表示会尽最大努力加快镁电池研究。,日本企业一直予以积极推进,丰田早在2005年就开始了镁电池的研究。丰田美国工程师Jeffrey Makarewicz曾公开表示，锂离子电池理想状况下蓄能水平为2000千瓦时，对于插电式电动车及混合动力车而言，性能
5、还不够理想。而镁离子电池或其他材料电池或将有可能成为锂电池的替代品。,按照丰田的公开说法，如果采用氢离子附着镁离子的MgH2材料，则放电量可以翻倍。因此，丰田一直视镁元素为更安全、更高效的电池原料。丰田相关负责人表示，电动汽车使用镁电池后，不仅能够提高续航里程，对于整车的加速性能也会有很大的提升。,2016年10月10日外媒称，本田集团将与埼玉县产业技术综合中心合作，推出全球首例可反复充放电的镁电池产品。开发者预计镁电池最开始时会在智能手机、其它便携设备中商用。镁电池开发者希望能在2018年之前销售产品。,镁电池助力车概念图,索尼也玩电动车?,经过一段时间的酝酿，索尼大法决定为电动方程式赛车提
6、供电池服务，进军电动汽车电池市场。据悉索尼的新电池将会是高容量的锂-硫和镁-硫电池，不过锂元素的这种用法可能导致短路问题。,现在包括韩国LG、三星SD等大厂除了在我们熟知的手机领域外，在电动车市场领域的电池方面都有涉足，其电池产能在未来几年或多或少的被锁定，将为索尼提供一个的打入电动汽车市场的机会。索尼希望到2020年前能在智能手机领域商业化其新电池，并计划电动汽车领域扩大其电池业务。,启东市金美新能源有限公司 主要产品,东京工业大学名誉教授矢部孝表示，为生产镁电池，矢部于2015年11月在靠近上海的江苏省启东市成立了“启东市金美新能源有限公司”。位于启东市临海工业地带的工厂于2016年夏季竣
7、工，开始大批量生产供智能手机及小型无人机使用的电池。,我国企业不太积极,上海交通大学在2012年前后开展了镁电池方面的研究,2014年，云海金属、濮耐股份都曾被传介入金属镁电池开发，结果两家企业均公开回应说并未开发镁电池，因为镁电池后期的发展前景尚不确定。,南京工业大学与复旦大学联合，在2015年发明了1种高电压的镁电池，其能量密度可以与锂离子电池相媲美,中科院大连化学物理研究所也研制出“镁空气储备电池”，可满足一台10瓦LED照明灯工作30天，或可为200部智能手机充满电,我国高校研究情况,镁电池的开发较早，但商业化的镁电池较少。,中国的军用已经升入到金属镁电池，而军用到民用转移还需要很长一
8、段时间。,镁电池目前主要供军事通信和气象测候仪、海难救生设备和高空雷达仪等使用。,三、锂镁电池性能对比,镁电池的最大优点是采用镁作为负极，在反复充放电过程中不会产生枝晶，因此循环性能非常优良。而金属锂不仅在充放电过程中会产生枝晶，而且循环寿命低，会导致严重的安全问题。20世纪90年代，加拿大MoLi公司就由于锂枝晶造成的电池起火燃烧而被迫召回大量电池，最终倒闭。,传统的电解质造成锂枝晶生长,电池爆炸问题,据当事人透露，他当时花了5988元购买的这款手机，8号下单10号上午到货，26号爆炸的，整个周期为16天。当时电池整个膨胀开了。,镁与锂处于周期表中的对角线上，根据对角线规则，它们有许多相似的
9、性质。镁是轻金属，密度 1.7，熔点 714，沸点 1412 ，硬度 2.0。镁是非常活泼的金属，电负性为 1.31，标准电极电位-2.36V（vs.SHE）。镁作为电池负极材料，其理论比容量高达 2.22Ah/g,碱性锂、镁离子电池的比较,碱性锂、镁离子电池的比较,镁的采购成本仅为金属锂的1/25。,四、电池原理,电池原理镁离子电池的工作原理与锂离子工作原理相似，也是一种浓差电池，正负极活性物质都能发生镁离子的脱嵌反应。,五、电池材料,正极材料理想的镁电池的正极材料，需要具备能量密度高，循环性好特点，镁离子能够很好的可逆脱嵌，而且还要安全性能好，环境友好，价格低廉。镁离子电池的正极材料的研究
10、主要是集中在过渡金属氧化物（如25 ，MoO3 ，MnO2 等）过渡金属硫化物（如TiS2 ，MoS2等）、聚阴离子型磷酸盐材料和硅酸盐材料（MgxFeSiO4 ）等,The choice of cathode materials for magnesium battery is extremely limited because divalent Mg2+ insertion/extraction in host compounds is difficult, apparently due to the stronger ionic interaction and harder charge
11、 redistribution of magnesium compared to lithiumions. For decades, various cathode materials have been proposed, including the molybdenum chalcogenides, V2O5, TiS2 nanotubes, graphene-like MoS2, todorokite-type/hollandite-type MnO2, and sulfur.,Cathode Materials,1、Molybdenum disulfide. MoS2 is a two
12、-dimensional solid with layers held together by vdW forces. This makes it quite similar to graphene, and it shares many of the same electronic and structural properties. As an MIB cathode material, its theoretical capacity is 223.2 mAhg1,2、Titanium dichalcogenides. Titanium disulfide has been used a
13、s a LIB host material with good results, but its performance as an MIB cathode has been less impressive so far. Bruce and Gregory et al. both screened TiS2 as a Mg host, with inconsistent results. Electrochemical results were also lackluster in the case of layered and cubic TiS2 in Mg(ClO4)2/THF and
14、 DCC electrolytes, respectively.,3、Vanadium oxides The various vanadium oxides have been the second most popular subject of MIB cathode investigations in terms of publications. As a cathode material, it has advantages of reasonably low cost and high capacity stemming from its available valence state
15、s. The theoretical reduction from V5+ to V3+ corresponds to the formation of Mg2V2O5, whose capacity is 589mAhg1 with respect to V2O5. However, slow Mg2+ transport and poor capacity retention are key problems that have not yet been solved. V2O5 has also been used as a cathode in cells with polymer g
16、el electrolytes, but longevity has proven to be a big issue, with no more than 10 cycles reported.,负极材料,作为镁离子电池的负极材料，其要求是镁的嵌入和脱嵌电极电位较低，从而使镁电池的电势较高。目前所研究的负极材料，大多数都是金属镁或者镁合金。虽然金属镁有很好的性能，其氧化还原电位较低，比能量大（2205mAhg-1），镁负极可构成比容量很高的电池，但是其表面很容易出现致密的氧化膜。,Anodes materials,The main advantage of magnesium battery
17、 chemistry is the usage of magnesium metal anode due to its high capacity. However, insertion anodes have also been investigated. Reversible insertion of magnesium metal into metal alloy anodes (such as Bismuth/Antinomy or Tin) have been shown to be able to prevent anode surface passivation, but suf
18、fered from anode destruction due to high volumetric changes on insertion, as well as slow kinetics.,电解质材料,自从镁离子电池发明以来，研究人员一直在寻找能够使镁进行可逆的沉积或溶解的电解液，突破制约镁离子电池发展的瓶颈。一方面，镁是活泼金属，肯定不能直接以水溶液为电解液；另一方面，传统的离子化镁盐（如MgCl2 ，Mg(CLO4)2等）又不能实现Mg的可逆沉积理想中的电解液应该有很好的导电率，电位窗口宽，在高效率Mg 沉积或溶解循环多次后仍能够保持稳定。提高电导率、采用具有较强吸电子性的烷基或芳香基团的格氏试剂来提高其氧化分解电位，或者通过格氏试剂的各种反应制备还原性较低的有机镁盐将会是格氏试剂用作可充镁电池电解液的发展方向,张艺群 新能源1班2013216052,谢谢,
