[交大智慧]上海交大教师及合作者研究发现最快镁离子固态导体[图]

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近日，上海交通大学密西根学院教师薄首行在国际知名学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）杂志发表最新研究成果《High magnesium mobility in ternary spinel chalcogenides》，描述其所在研究团队发现了迄今为止最快的镁离子固态导体（MgSc2Se4），该发现将有效推进全固态镁电池的开发。本文的共同第一作者以及通讯作者为劳伦斯伯克利国家实验室Pieremanuele Canepa博士和交大密西根学院助理教授薄首行。本文的另一通讯作者为美国工程院院士、劳伦斯伯克利国家实验室高级研究员、美国加州大学伯克利分校校长特聘教授Gerbrand Ceder。 

镁离子迁移能垒计算结果预测了一类新型镁离子快导体材料

镁电池不但拥有高能量密度且安全性能突出，是一种可与锂离子电池竞争的新型储能科技。在这一新发现的材料中，镁离子的迁移速度非常块，与快速锂离子导体中锂离子的迁移速度不相上下。目前所有商业电池都要使用液态电解质来实现离子在正负极之间的传导，而离子（例如锂离子或镁离子）的传输速度决定了电池的充电速率。尽管液态电解质可以实现离子的快速传导，然而液体电解质易燃易爆的属性为电池的使用埋下了安全隐患。固态电解质虽不易燃，但却面临着如何实现快速离子传导的挑战。  

镁离子电池的体积能量密度比锂离子电池更高，在大型电动设备中的应用更具前景。然而，寻找合适的镁离子液体电解质却困难重重。这是因为大多数镁离子液态电解质要么对集流体具有腐蚀性，或者与镁金属负极或正极材料反应形成钝化界面，从而完全阻断镁离子的传导。 镁电池是一种前瞻性储能技术，到目前为止还没有找到很好的液态电解质。针对这一问题， 研究团队另辟蹊径，提出了研发固体电解质的方案。  

薄首行表示，“为全固态镁电池设计合成固体电解质是一个很大胆的计划，甚至初步看来可能性很小。”Gerbrand Ceder进一步指出：“虽然在我们用这一新发现的材料（MgSc ₂ Se ₄ ）制造出电池之前，可能还有很长的路要走，但这项工作第一次证明了在固态材料中仍然可以实现镁离子的快速传导。镁离子被公认为在大多数固态材料中传导速度慢，所以在此之前没有人认为这是可能的。”对于这项工作，Canepa博士评价道：“通过将计算材料科学方法论，合成和各种表征技术结合在一起，我们发现了一类能以前所未有的速度传输镁离子的新型固态导体。”

尽管该发现为未来的相应研究提供了广阔的空间，令人振奋，Ceder教授谨慎的评论道：“制造全固态电池在工业上有巨大的吸引力。这是电池界的梦想，因为全固态电池可以最终解决电池的安全问题。但是，在这种材料中（MgSc ₂ Se ₄ ）仍然存在少量电子电导。在用于全固态电池之前，我们还必须想方设法将其降低。”

这篇文章的合作者还包括阿贡国家实验室的Baris Key，劳伦斯伯克利国家实验室的Gopalakrishnan Sai Gautam和Juchuan Li，麻省理工学院的William Richards和Yan Wang以及加州大学伯克利分校的Tan Shi和Yaosen Tian。作为由美国能源部科学办公室和基础能源科学部资助的能源创新中心联合能源存储研究中心Joint Center for Energy Storage Research（JCESR）的一部分，这项工作得到了JCESR的全力支持。

背景介绍

薄首行，先后于复旦大学取得化学学士学位，石溪大学取得化学博士学位。其博士论文指导老师为Clare Gray教授以及Peter Khalifah教授。自2014年以来，薄首行教授先后在麻省理工学院材料科学与工程系以及劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部担任Gerbrand Ceder教授团队的博士后研究员。薄首行于2017年7月加入交大密西根学院，担任助理教授。他近期研究课题包括：材料和系统尺度的固态储能材料研究；无机材料合成的原位谱学和衍射研究。