当下，在动力电池和大规模储能等范畴，以锂离子电池为代表的储能系统已经得到了普遍的利用。但是，目前的锂离子电池手艺仍然面对成本高、平安性差、锂元素原料赐与有限等严格挑战。
那么，谁将可能成为下一代电池呢？镁金属电池因其高平安性、低成本、原料来源丰富和体积能量密度高（3833Ah/L）等长处，而成为下一代电池的重要抉择。
从利用角度看，镁金属电池在低速电动车、规模储能等范畴的利用潜力浩荡。同时，镁金属电池因具备优良的宽温区工做性能在航空航天、极地科考、地量勘探等极端前提下极具利用价值。
图丨崔光磊研究员在尝试室（来源：崔光磊）
近期，中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称“青岛能源所”）与青岛科技大学等团队协做，研发了一种自支持单离子导体聚合物电解量系统，该系统撑持电池可在高达 150℃ 前提下工做，有效地鞭策了高温、高平安电池系统的开展。
此外，目前镁电池中所用的隔阂次要为玻璃纤维，欠缺柔性且成本较高，很难大规模造造。而该研究中开发的耐高温镁电池电解量是一种自支持的聚合物膜，不只柔性强，还能够操纵现有设备通过 “Roll-to-Roll” 手艺持续大规模消费，具有明显的成本优势。
审稿人对该研究评判道：“该研究报导了一种别致的自支持单离子导体镁聚合物电解量，该电解量具有很高的镁离子迁徙数和平安性，极大拓展了镁电解量的利用范畴。”
图丨相关论文（来源：Advanced Energy Materials）
前不久，相关论文以《坚韧的自支持单离子聚合物电解量实现镁电池高温下的平安运行》（Robust Self-Standing Single-Ion Polymer Electrolytes Enabling High-Safety Magnesium Batteries at Elevated Temperature）为题颁发在 Advanced Energy Materials 上[1]。
青岛能源所的葛雪松助理研究员、宋富辰硕士和杜奥冰博士后为论文的配合第一做者，青岛能源所崔光磊研究员、青岛科技大学周新红传授为论文的配合通信做者。
初次实现镁金属电池在 150℃ 高温下的不变充放电轮回
崔光磊表达：“该研究最重要的打破是造备了一种自支持单离子导体聚合物电解量，并初次实现了镁金属电池在 150℃ 高温下的不变充放电轮回。”
图丨自支持单离子导体镁聚合物电解量（来源：该团队）
该研究历时两年多时间，在研究过程中更大的难点是若何实现离子电导率、镁离子迁徙数、机械性能、化学和电化学不变性、热不变性等多个方面的平衡和同一。
那种自支持聚合物电解量的优势最次要表示在电化学不变性高，它的电化学窗口能到达 4.8V（vs. Mg/Mg2+），较高的氧化不变性包管了该电解量能够和高电压正极婚配。
为了获得较高的镁离子迁徙数，研究人员设想了一种聚合物镁盐的构造，通过将阴离子限造在聚合物骨架上，进步镁离子的迁徙数。
恰是得益于类单离子导体构造的设想，使自支持聚合物电解量中镁离子迁徙数高达 0.79，比常规液态电解液的相关数据超出跨越许多。“较高的迁徙数能够降低电极界面的极化，有利于削减副反响的发作。”崔光磊说。
图丨自支持单离子导体聚合物膜的造备（来源：Advanced Energy Materials）
随后，他们又在聚合物构造中引进交联点，通过交联感化来进步电解量膜的力学性能，以此获得了优良的机械性能。根据相关尝试成果，研究人员发现所组拆的镁金属电池可连结不变的长轮回，而且轮回后的镁负极外表未发现明显的不平均堆积等现象。
此外，他们还选用了比烷基镁不变性更高的烷氧基镁构造，通过如许的体例来进步电解量的负极兼容性和热不变性。
由自支持聚合物电解量所组拆电池的工做温度范畴在 30℃ 至 150℃。根据尝试数据，所组拆的扣式电池在 30℃ 前提下以 0.5C 倍率轮回 200 圈后的容量连结率为 92%；所组拆的软包电池在 30℃ 前提下以 0.3C 倍率轮回 100 圈后的容量连结率为 84%。
图丨电池的充放电性能测试（来源：Advanced Energy Materials）
葛雪松分享道：“固然有良多手艺难题，但当我们组拆的镁电池在 150℃ 高温下实现了不变轮回，以及团队组拆的镁软包电池在剪角、穿钉等滥用前提下仍然能够不变工做时，做科研的成就感油然而生，那也鼓励着我们陆续摸索。”
或将利用于地下资本勘探和太空摸索等范畴
一般来说，当前商用的锂离子电池在工做温度超越 80℃ 时，就会呈现差别的毛病问题，例如明显的性能下降、热失控和爆炸，以至还可能会引发严峻平安变乱。
而镁的熔点在 651℃，而且其化学不变性强、生长枝晶可能性小、成本低，因而其平安性高、耐高温的优势也日渐明显。而解锁耐高温镁电池的“钥匙”，即是研发耐高温的电解量系统。
特殊是近年来，人们对太空摸索和地下资本勘探需求日积月累，镁金属电池在耐高温（100℃）、高平安的特种电池范畴具有重要利用潜力。
图丨 平安性能测试（来源：Advanced Energy Materials）
然而，假设摘用常规的液态镁电池电解液，因其大多选用低沸点的醚类溶剂做为电解液的次要成分，存在易燃、易爆等平安隐患，且只能在室温范畴内工做，那些因素都限造了其财产化开展。
而该研究中的自支持耐高温镁电池聚合物电解量系统使相关问题“迎刃而解”，实现了镁金属电池在 150℃ 高温下的不变充放电轮回，极大地拓展了镁电解量的利用范畴。
崔光磊指出，热不变性高、阻燃性好以及较宽的工做温区等优势，有看使该电池将来利用于地下资本勘探和太空摸索等特种范畴。
图丨自支持聚合物电解量导镁性能及电化学不变性（来源：Advanced Energy Materials）
现实上，在很早之前，镁电池就已经在多种军用设备上做为储蓄电源利用，但根本都是一次电池。
人们将那些用金属镁做负极的可充电电池称为“镁金属二次电池”，目前，镁金属二次电池的贸易化利用尚在初级阶段。崔光磊认为，要想实现镁金属二次电池的大规模利用，需要更深进、更系统地研究并积存体味，出格是在高性能电解量和正极素材开发等方面。
谈及镁金属二次电池需要提拔的手艺问题，他表达，其电解量方面需要进一步进步平安性和室温离子电导率，正极素材方面需要进步放电电压和轮回不变性。
固态电池手艺或将实现全面贸易化，鞭策电池范畴的手艺革命
崔光磊是青岛能源所研究员，国度出色青年科学基金获得者，国度重点研发方案新能源汽车专项高比能固态锂电池手艺项目首席科学家，中科院深海智能手艺先导专项能源项目负责人，次要处置高比能固态电池关键素材和系统研发。
他博士结业于中国科学院化学研究所，随后他在德国马普固态研究所担任项目骨干，并在德国马普高分子研究所处置博后研究。
图丨崔光磊团队的部门镁电池相关科研停顿（来源：该团队）
为处理镁电池范畴的核心科研难题，崔光磊率领团队停止了系列工做，目前，该团队在镁金属二次电池高性能电解量的开发、负极界面的优化、转化型储镁正极的摸索等方面都获得了系列重要停顿。
他们开发了一系列高性能有机硼酸基镁电解液，以硼为中心的大阴离子镁盐具有非亲核特征，能够婚配高比容量的硫正极[2,3]。而且，还开发出可在宽温区（-20℃ 至 60℃）内工做的硼酸基凝胶聚合物镁电解量[4]。
此外，他们还处理了镁金属二次电池在造造工艺中的核心手艺难题，实现了正极、电解量等关键素材的批量试造，并开发出能量密度高达 560Wh/kg 的单体电芯。据悉，相关手艺正与企业协做、开展财产化研究和利用示范。
图丨崔光磊团队（来源：该团队）
崔光磊率领团队次要围绕高比能固态电池关键素材和系统展开研究。他们努力于进步固态电解量的室温离子电导率，改进固态电解量和电极间的界面，并积极鞭策固态电池的财产化开展。
谈及固态电池手艺的将来，崔光磊表达：“目前，中国的储能手艺已经处于国际领先程度，将来几年以聚合物固态电池和硫化物固态电池为代表的固态电池手艺，将会实现全面贸易化、鞭策电池范畴的手艺革命。”
参考材料：
1.Xuesong Ge, Fuchen Song，Aobing Du et al. Robust Self-Standing Single-Ion Polymer Electrolytes Enabling High-Safety Magnesium Batteries at Elevated Temperature. Advanced Energy Materials2201464(2022).
2.Zhonghua Zhang et al. Advanced Energy Materials 7(11): 1602055 (2017).
3.Aobing Du et al.Energy Environmental Science10(12): 2616-2625(2017).
4.Aobing Du et al. Advanced Materials 31(11): 1805930(2019).