電動車和電網儲能系統在很大程度上依賴鋰及其他昂貴的金屬。日本的研究人員現在表示，使用基於石墨烯的陰極製造的鎂空可充電電池可能提供一個更便宜和更安全的替代方案。筑波大學的團隊開發了一種全固態鎂空電池，能抵抗長期以來限制這項技術的化學降解。這項設計用氮摻雜的多孔石墨烯取代了基於鉑的陰極，並使用注入氯化鎂的固體聚合物電解質。
鎂空電池利用空氣中的氧作為陰極的活性材料。理論上，它們可以提供與鋰空系統相當的能量密度。然而，實際上，電解質中的氯化物離子會觸發內部氯化，損壞元件並在多次充放電循環中降低性能。研究人員專注於解決陰極的穩定性問題。通過引入氮摻雜的多孔石墨烯，他們創造了一種能夠抵抗氯化攻擊的結構，同時保持高催化活性。
團隊將石墨烯陰極與商業可得的鎂金屬作為陽極，並以氯化鎂基聚合物凝膠作為固體電解質。從液體電解質轉向固體電解質顯著提高了安全性和機械穩定性。根據研究人員的說法，石墨烯的多孔結構發揮了關鍵作用。它提供了容納放電產物的空間並促進有效的質量傳輸，這兩者對於基於空氣的電池的穩定循環至關重要。
性能測試顯示，這種新系統的表現超過了使用鉑陰極的可比電池。這些增益與石墨烯對氯化物引起的降解的抵抗力以及在氧反應中的強催化特性有關。固態配置也消除了與液體電解質相關的泄漏風險，這為現實應用中更穩健的電池設計打開了大門。
在機械測試中，這款電池即使在彎曲至 120 度時仍維持其初始性能。變形過程中未觀察到電解質泄漏，突顯了基於凝膠的固體電解質相對於液體系統的優勢。這種在彎曲應力下運行的能力暗示了其在柔性電子設備和可穿戴設備中的潛在應用，除此之外，還包括電動車和固定儲能系統。
同時，依賴鎂這種比鋰或鉑更豐富且便宜的金屬，可能有助於減少供應鏈風險。鎂空系統長期以來被視為有前景但因耐用性挑戰而難以商業化。通過解決陰極的氯化驅動降解問題並穩定電解質，研究人員展示了一條實用的途徑，朝著高容量可充電鎂空電池邁進。如果這一方法能夠成功擴展，將支持更低成本的電氣化技術，同時提高安全性，相較於傳統的鋰基系統。這項研究已發表於《先進功能材料》。
