应用电化学论文-镁离子电池的研究进展

《应用电化学》

课程论文

题目镁离子电池的研究进展

学院：化学与生物工程学院

班级：研究生14级

学号：*********

姓名：许****

任课教师：******

2015年1月11日

摘要

高能量密度、大容量、高工作电压、低成本、环境友好的二次电池是未来储能电池技术的发展方向。高比能的镁离子电池（MIBs）是以镁或镁合金为负极的二次电池，是一种重要的有望用于电动汽车的新型绿色储能电池。镁离子电池发展缓慢的主要问题是镁离子在正极材料中扩散速度慢。寻找高电压（大于3V）、高比能量、高可逆性的正极材料和与其匹配的电解液是实现镁离子电池第三次突破的关键。

关键词：二次电池，镁离子电池，正极材料

目录

摘要........................................................................................................................... I 目录......................................................................................................................... II 一绪论.. (1)

1.1 镁离子电池概述 (1)

1.2 镁离子电池的特点 (3)

1.3 镁离子电池的工作原理 (4)

1.4 镁离子电池的研究现状 (5)

二镁离子电池的构成 (7)

2.1 负极材料 (7)

2.2 电解液材料 (8)

2.3 正极材料 (9)

三镁离子电池存在的问题 (11)

四结论与展望 (12)

参考文献 (13)

一绪论

能源是经济技术发展的基础，更是人类社会发展的命脉。近年来大量的中小型电器普及应用，以及汽车等大型耗能设备的推广和使用，使得世界能源出现前所未有的严峻形势。化学电源作为人类的重要能源形式，得到了飞速的发展。

长期以来，实用性的可充电池体系主要包括：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。这些体系都在人们生产、生活中发挥着巨大的作用。但是随着人们生活水平的提高，环保意识的增强，对能源的使用和回收进行了严格的限制。铅酸电池和镍镉电池的能量密度低，且对环境污染严重，必将逐步退出历史的舞台。镍氢电池和锂离子电池具有较高的能量密度以及对环境友好等优越性能，是目前研究开发的热点。

但是，目前镍氢和锂离子大型动力电池还处于研发阶段，电池材料昂贵及操作的不安全性极大限制了这种电池的发展。镁离子电池在价格和安全上具有显著的优势，是一种极具发展性的绿色环保电池，有望成为新一代高容量、大输出功率的动力电池体系，使价格低廉使用安全的大型动力电池真正走入人们的生活。

1.1 镁离子电池概述

镁[7439–95–4]是元素周期表中第12 号元素，第ⅡA 族主族元素，元素符号Mg，来源于希腊的Magnesia 城（第一次使用的氯化镁产地）而命名。原子量24.305，化合价为+2，是密集六方晶体。有三个同位素，质量分别是23.99、24.99、25.99，相对出现率是77%、11.5%和11.1%。镁的电子排布式是1s2，2s2，2p6，3s2。镁是银白色金属，密度 1.74g/cm3，是最轻的结构金属。金属镁与锂处于周期表中的对角线上，因而具有相似的化学性质。二者的性质比较见表1–1。

表1–1 负极材料镁与锂的性质比较.

Table 1–1 Characteristics of negative material Li and Mg.

参数Data 锂（Li）镁（Mg）原子量（Atomic weight） 6.9424.31

电极电位（水溶液）

Electrode potential in aqueoussolution/V -3.03

-2.37（酸性）

-2.69（碱性）

由表1–1中二者的一些参数对比可见：

(1) Li 2+和Mg 2+的离子半径分别为68pm 和62pm ，它们在大小上是相当的，因而以

Mg 2+取代 Li 2+来嵌入化合物中是可能的；

(2) 金属镁较金属锂稳定，也即是说，它相对可在氧气和潮湿气氛中操作，而锂需

高纯氦、氩气氛保护。因而对镁电池来讲相应的安全问题较小；

(3) 地球镁资源（MgCO 3）丰富且环境友好，因而镁较锂便宜[1]；

(4) 就电池应用方面而言，Mg/Mg 2+电对的氧化还原电势比 Li/Li +电对的高 1V 。

此外，镁的充电容量低于锂的[2]。但是假如我们制备出一些正极材料，以金属镁作为负极构成镁离子电池，那么镁离子电池的能量密度预计>100Wh/g ，这仍是目前主要使用的铅酸电池或 Ni-Cd 电池系统的两倍多。并且其与锂离子电池相比，所预计相对较低的能量密度可由以下优点来弥补：（1）安全性能的提高；（2）便宜的价格；（3）废弃物易于处理。基于以上几点，我们认为镁离子电池拥有广阔的研究、发展前景。

在镁离子电池的研究方面，早在 1990 年，Gregory 等就曾报道试图构造一个以

Mg x CoO y 为正极嵌入材料的二次镁电池。近期，Aurbach 等[2]在《自然》杂志上报道了他们所研制成功的镁电池，该电池的工作电压约为1.0-1.3V ，能量密度约为 80Wh/kg ，对该系统在-20℃

离子半径

Ionic radius/nm

0.068 0.062 理论容量/mAh·g -1

Theoretical specific

capacity

3862 2205 金属价格/$·t -1

Price of the metal

64800 2700