镁
香港大学机械工程系的梁耀昌教授领导的研究团队在电池技术领域取得了重大突破，他们成功开发出了高性能准固态镁离子（Mg-离子）电池。这种创新设计为传统锂离子电池提供了一种可持续、安全和高能量密度的替代品，解决了材料稀缺和安全问题的局限性。
这项研究成果最近以“下一代镁离子电池：多价金属离子存储的准固态方法”为题发表在《科学进展》上。新型镁离子电池有可能彻底改变该行业。梁教授表示：“这是一个改变游戏规则的发展。”
近年来，由于锂离子电池的局限性，镁离子电池被视为一种潜在的解决方案。然而，开发高效镁离子电池的道路充满了挑战，包括需要克服水性或水基体系中狭窄的电化学窗口，以及非水性体系中较差的离子电导率。
为了解决这些障碍，梁教授的团队开发了一种工作电压高于2V的盐包水镁离子电池。然而，由于质子在阴极储存的镁离子占主导地位，它仍然落后于非水电池。
博士莎拉·梁（Sarah Leong），梁教授团队的学生，也是该研究的第一作者，解释说：“与金属离子相比，氢离子或质子更小、更轻。由于其尺寸，质子很容易进入电池的阴极结构。然而，这会产生一个问题，因为质子和镁离子竞争空间，这严重限制了电池可以存储多少能量以及可以持续多长时间。”
然而，团队的不懈努力终于取得了成果，推出了准固态镁离子电池（QSMB），这是一种创新的电池设计，使用聚合物增强电解质来控制质子和金属离子之间的竞争。
QSMB拥有令人印象深刻的2.4 V电压平台和264 W·h kg –1的能量密度，超越了当前镁离子电池的性能，几乎与锂离子电池的性能相当。
PEO的氢键锚定效应
( A ) 1M MgCl 2、MgCl 2 -WIS和MgCl 2 -PEO在100mV s -1扫描速率下的ESW 。( B )镁对称电池循环过程中H 2气体通量的原位 OEMS 测量。( C )传统水相MgCl 2、MgCl 2 -WIS和MgCl 2 -PEO中氢键网络和溶剂化鞘的示意图。0.1、1和3M MgCl 2、MgCl 2 -WIS和MgCl 2 -PEO的( D ) FTIR光谱和( E ) 1 H NMR光谱。( F ) Mg 2+ -H 2 O的径向分布函数g ( r ) 和综合配位数 (ICN) n ( r ) 曲线（左）和 MgCl 2 -PEO的最终 MD 模拟模型（右）。au，任意单位。ppm，百万分之一。
梁教授表示：“我们的准固态镁离子电池结合了两全其美，提供非水系统的高电压以及水系统的安全性和成本效益。它代表着在高性能镁离子电池的开发。”
为了对QSMB进行最终测试，研究团队进行了广泛的循环测试，取得了惊人的结果。即使在零下温度 (–22°C) 的极端条件下，QSMB在900次循环后仍保留了令人印象深刻的90%的容量。该电池不易燃，耐压超过40个大气压。这种水平的耐用性和性能使QSMB成为消费电子产品的有前途的候选者，即使在寒冷的气候下也是如此。
全电池的电化学性能
( A ) Mg金属阳极、MgCl 2 -PEO电解质和CuHCF阴极的电池机理示意图。( B ) 0.25 A g -1下的电池放电曲线和相应的机制。( C ) 不同电流密度下的恒电流放电-充电曲线。( D ) 倍率性能，包括比容量和库仑效率。( E ) 1 A g -1下的长期电池循环稳定性。（F）与其他可充电镁电池的性能比较，包括QSMB（39、69、70 ）、NAMB（5、71-74 ）和AMB（18-20、23、75、76）。每项工作相应的 C 速率和容量保留率列于表 S6 中。
QSMB 的低温、压力和可燃性测试
( A )电池在室温和-22°C下的恒电流循环曲线。( B ) -22°C、0.5 A g 169884078824528188下的长期电池循环稳定性。( C ) 电池在 4 MPa 高压下点亮 LED 灯泡。( D ) 易燃有机锂离子电解质和不易燃MgCl 2 -PEO电解质的图像。有关可燃性测试，请参阅电影 S1 和 S2。
梁教授团队的研究助理教授潘文鼎博士认为，QSMB技术有潜力重塑能源存储格局，为我们的世界提供可持续的电力。
他说：“我们研究中提出的先进电解质开发策略具有超越镁离子电池的潜力，扩展到其他多价金属离子电池，例如锌离子和铝离子电池。我们相信这项研究将为下一代能源存储解决方案不仅高效而且环保。”
参考资料
Next-generation magnesium-ion batteries: The quasi-solid-state approach to multivalent metal ion storage
KEE WAH LEONG, WENDING PAN, XIAOPING YI, SHIJING LUO, XIAOLONG ZHAO, YINGGUANG ZHANG, YIFEI WANG, JIANJUN MAO, YUE CHEN, JIN XUAN, HUIZHI WANG, AND DENNIS Y. C. LEUNG
SCIENCE ADVANCES DOI: 10.1126/sciadv.adh1181
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