Использование прототипа высокопроизводительной магний-фторидной батареи, обеспеченного электролитом с модуляцией анионов

Более безопасные и дешёвые аккумуляторы для энергозависимого мира

По мере того как нашим домам, автомобилям и сетям требуется всё больше электроэнергии, современные литий-ионные батареи сталкиваются с серьёзными вопросами стоимости, безопасности и сырья. В этом исследовании рассматривается перспективная альтернатива: батареи на основе магния — распространённого и недорогого металла. Путём продуманной переработки жидкости внутри батареи — электролита — авторы демонстрируют, как открыть путь к новой высокоэнергетичной магний–фторидной батарее, которая работает эффективно, выдерживает сотни циклов и даже сохраняет работоспособность при отрицательных температурах.

Почему магний заслуживает внимания

Магниевые батареи привлекательны тем, что магний широко распространён в земной коре и может хранить большой заряд в небольшом объёме. В отличие от лития, магний менее склонен к образованию игольчатых наростов, которые прокалывают сепаратор и вызывают короткие замыкания, что повышает безопасность. Тем не менее развитие магниевой технологии застопорилось главным образом потому, что трудно найти подходящий положительный электрод (катод), который бы сочетал высокую энергию и длительный срок службы. Традиционные материалы, такие как сульфиды и оксиды, либо работают на низких напряжениях, ограничивая отдаваемую энергию, либо перемещают ионы магния слишком медленно, что снижает мощность и срок службы. Металлические фториды, особенно фторид железа и оксифторид железа, предлагают значительно более высокую энергоёмкость, но их печально трудно эффективно эксплуатировать с магнием.

Умная добавка, укротившая проблемный электролит

Суть проблемы кроется в электролите — жидкости, которая переносит заряд между двумя электродами батареи. Популярный магниевый электролит, известный как раствор all-phenyl-complex, хорошо проводит ионы и совместим с металлическим магнием, но содержит хлоридные кластеры, которые агрессивно корродируют металлические детали и разлагаются при высоких напряжениях. Команда вводит специальную молекулу, три(пентафторфенил)бор, которая выступает в этой жидкости как «анионный рецептор». С помощью компьютерного моделирования, ядерного магнитного резонанса и рамановской спектроскопии они показывают, что эта добавка селективно захватывает хлоридсодержащие виды и взаимодействует с растворителем. Это разрушает наиболее коррозионные магний–хлоридные кластеры, распределяет отрицательный заряд и ослабляет сильную связь растворителя и хлорида с ионами магния и лития.

Ускорение движения ионов и увеличение долговечности поверхностей

Ослабляя эти связи, оптимизированный электролит снижает энергетические затраты на то, чтобы ионы освободились от «оболочек» растворителя и хлорида перед входом или выходом из электрода — шаг, который часто замедляет батареи. Расчёты показывают, что добавка существенно уменьшает барьер разрыва магний–хлоридной связи, что является самым медленным этапом процесса. Эксперименты подтверждают, что такая химия расширяет безопасный рабочий диапазон напряжений электролита и резко уменьшает коррозию обычных металлических токосъёмников. При этом магний по-прежнему можно обратимо осаждать и снимать на отрицательном электроде. В целом электролит сохраняет сопоставимую массовую проводимость с исходным раствором, но драматически улучшает межфазную стабильность и кинетику переноса заряда.

Работающая высокоэнергетическая магний–фторидная батарея

Вооружившись этим улучшенным электролитом, исследователи собрали полную магниевую батарею с положительным электродом из оксифторида железа. Дизайн хитро сочетает ионы лития и магния: ионы лития помогают оксифториду железа быстро и оборотно реагировать, тогда как металлический магний на отрицательной стороне обеспечивает высокую энергию и безопасность. В испытаниях при комнатной температуре батарея демонстрирует высокую обратимую ёмкость примерно 354 миллиампер-часа на грамм и сохраняет полезную ёмкость даже при токе в десять раз большем. При –20 °C она всё ещё обеспечивает 177 миллиампер-часов на грамм в течение 200 циклов. Когда реакция ограничивается более мягкими процессами «интеркаляции», элементы проходят более 500 циклов с минимальными потерями ёмкости за цикл и средним напряжением около 1,77 вольта, что указывает на долговременную стабильность.

Что это означает для будущего накопления энергии

Для рядового пользователя ключевая мысль такова: более разумная химия внутри электролита может превратить многообещающий, но проблемный набор материалов в практичную высокопроизводительную батарею. Используя анионный рецептор для нейтрализации коррозионных видов и ускорения движения ионов, команда открывает путь к магний–фторидным батареям с высокой энергией, которые безопаснее, дешевле и более устойчивы к холоду, чем многие существующие технологии. Хотя необходимы дальнейшие работы по снижению начальных потерь и масштабированию, стратегия с анионным рецептором предоставляет мощный инструмент для проектирования батарей следующего поколения, которые выйдут за пределы лития, сохраняя требования к производительности современных энергетических систем.

Цитирование: Chen, K., Lei, M., Wang, T. et al. Exploiting a high-performance magnesium-fluoride battery prototype enabled by anion-receptor-mediated electrolyte. Nat Commun 17, 2143 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68903-5

Ключевые слова: магниевые батареи, дизайн электролита, катод из оксифторида железа, анионный рецептор, аккумулирование энергии