镁电池可以代替锂吗？

镁电池可以比锂储存更多的能量。新材料使离子移动得更快，这表明手机、笔记本电脑和电动汽车的电池更小。

通过使结构无定形使离子移动得更快（图片来源：Vijay Choyal）

当今电子产品中的大多数电池，从智能手机到笔记本电脑再到电动汽车，都使用锂离子技术。但这些电池是有局限性的，因为它们的尺寸和重量只能储存这么多能量。这就是为什么设备电量很快耗尽、充电需要时间以及电动汽车续航里程有限的原因。

IISc 的研究人员正在探索镁电池作为解决方案。与锂相比，镁每个原子可以提供近两倍的能量，因为每个镁原子可以交换两个电子，而锂只能交换一个电子。但使镁电池实用化一直很困难，因为现有的正极材料无法让镁离子有效移动。

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传统上，电池阴极使用晶体材料，其中原子以严格的模式排列。镁在这些结构中移动缓慢，这会减慢电池的速度。为了解决这个问题，Gautam Gopalakrishnan 领导的团队研究了无定形材料，这些材料具有无序的原子结构，可以像海绵一样发挥作用，更容易吸收和释放镁离子。

研究人员创建了一个无定形五氧化二钒阴极的计算模型，以观察镁离子在其内部移动的速度。为了有效地模拟这一点，他们结合了两种方法，即密度泛函理论 （DFT），准确但速度慢，分子动力学 （MD），速度更快，但精度较低。他们使用机器学习来弥合差距，方法是在 DFT 数据上训练模型以运行大规模 MD 模拟。

结果令人震惊：镁离子在无定形阴极中的移动速度比在最好的结晶材料中快约 100,000 倍。这可以显着提高能量密度和充电速度。该团队现在希望实验研究人员能够在真实电池中测试这些材料，从而有可能为电子产品和电动汽车的更小、更强大的电池打开大门。