循环7.5万次，水系镁离子储能实现重大突破

电子发烧友网综合报道


水系电池依托水基电解液不燃的固有属性，在固定式储能、微型特种供电等安全优先场景具备明确发展优势。铅酸、镍氢两类成熟水系产品已经实现规模化商用，但材料体系能量密度偏低，难以适配大容量长时储能需求。




水系镁离子电池依托镁资源储量充足、原料成本偏低、离子半径小的基础特征，理论层面可构建高体积能量密度储能系统，长期被行业视作下一代安全储能核心路线之一。该体系产业化推进持续受充放电循环衰减、实际能量密度远低于理论测算值制约，离子嵌入脱出带来的晶格应变累积，会造成电极结构破损，行业长期缺少可行的长效解决方案。




北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋团队联合合作单位提出应变离域化调控思路，完成氧化钼钽电极材料开发，依托该材料制备的水系镁离子电池实现7.5万次稳定循环，相关完整机理与实验数据已发表于《美国化学会志》。




本次技术创新核心手段为钽元素掺杂改性三氧化钼纳米管阵列，掺杂操作会在材料终端氧位点生成氧空位结构。该结构可吸附并解离层间留存水分子，钽羟基组分与水分子形成氢键复合结构，直接降低水合镁离子迁移扩散所需能垒，同时引导层间水分子有序排布，缓解水合镁离子共嵌入过程产生的层间膨胀与晶格应变，从微观结构层面解决电极循环粉化的行业核心痛点。




团队依托多种原位表征设备与第一性原理分子动力学


模拟


，完整梳理氧化钼钽电极储能运行逻辑，材料在0.15安培每克


电流


密度下可逆容量达到300毫安时每克，经过7.5万次充放电循环后电化学性能无明显衰减，累计容量可达7.2千安时每克，相关性能指标优于现阶段已公开的同类水系镁离子电极材料数据。




为验证材料工程应用可行性，研究团队完成全水系镁离子软包电池、集成式镁离子微电池的组装与测试，证明该材料可以适配不同形态储能产品的生产制造流程。过往水系镁离子电池普遍存在循环次数不足、衰减速度快的问题，多数实验室样品循环次数仅数千次，难以满足电网储能长年持续充放的使用要求，本次7.5万次循环的性能突破，大幅拉长水系电池设备的整体服役周期，降低储能电站电芯更换与运维支出。




从产业材料供给角度分析，镁元素在地壳储量充足，整体开采与加工成本低于锂、钴等稀缺锂电原料，搭配水系无可燃电解液体系，整套储能方案同时具备成本优势与安全优势。现有商用储能锂电循环寿命多集中在数千次区间，长期高频充放场景下设备更换周期较短，而新型氧化钼钽电极支撑的水系镁离子电池可大幅拉长全生命周期，适配风光配套储能、分布式基站


电源


、长周期野外传感供电等场景。