锂(Li)离子电池为我们提供了良好的服务，为我们的笔记本电脑，平板电脑，手机以及许多其他小工具和设备供电。然而，对于未来的汽车应用，我们将需要可充电电池，其能量密度显着提高，成本降低，安全性提高。因此，电池行业大力推动开发锂离子技术的替代品。
一种有希望的替代方案是基于多价离子的电池，例如镁(Mg)。虽然电荷为+1的锂离子仅为电流提供单个电子，但Mg离子的电荷为+2，这意味着Mg离子原则上可以提供两倍于Li-的电流。离子如果以相同的密度存在。镁离子电池也比锂离子电池更安全，更便宜。然而，多价离子上的额外电荷产生了妨碍镁离子电池发展的其他问题。由于美国能源部(DOE)的劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)作为美国能源部能源创新中心储能研究联合中心(JCESR)的一部分，这种情况可能很快就会发生变化。
美国伯克利实验室主办的美国能源部纳米科学研究机构Molecular Foundry的纳米结构材料理论小组的科学家David Prendergast和Liwen Wan进行了一系列计算机模拟，消除了对电解质中镁离子的长期误解。在电池的电极之间传输离子。
“多价离子的捕获因素是它们增加的电荷吸引了更多的注意力 - 它们被电池的电解质包围在其他带相反电荷的离子和溶剂分子中 - 这会减慢它们的运动速度并产生能量损失以排出电解质电极，“普伦德加斯特说。“然而，我们发现这个问题可能不像人们普遍认为的那么严重。”
基于含镁固体(例如盐氯化镁)和衍生自用于镁基电池(二氯络合物溶液)的工作电解质类别的晶体的X射线吸收实验，已假设镁离子由六个最近的邻居围绕(或强烈协调)，其可以是反离子，例如氯化物或溶剂分子，在这种情况下是四氢呋喃。如果Mg离子也存在于液体电解质中，则这种庞大的六重配位球将使镁离子难以通过电池。在伯克利实验室国家能源研究科学计算中心(NERSC)的超级计算机上运行第一原理分子动力学模拟，以及分子铸造厂的Vulcan计算机集群系统，
“对于镁基电池来说，这是个好消息，因为这意味着随着电池放电或充电，携带的物品越来越少，”Prendergast说。“我们的研究结果还表明，到目前为止镁离子电池所遇到的性能瓶颈可能与电解质本身无关，而是与电解质和电极之间的界面发生的情况有关，因为镁离子会脱离它们的配位球。 “
Prendergast和Wan在JACS，美国化学学会杂志上发表了他们的研究成果。他们的论文标题为“第一原理分子动力学和模拟X射线吸收光谱中二氯代复合物溶液中镁离子的溶剂化结构”。
在他们的模拟中，Prendergast和Wan认为Mg单体和二聚体结构在中性和带正电状态下与氯离子(Cl -)和四氢呋喃溶剂分子的组合在所谓的二氯复合物(DCC)溶液中相互作用。他们发现，在室温下，镁离子倾向于在溶液中进行四配位而不是六配位，这是主要的固相配位。至于为什么最近在DCC电解质上的X射线吸收实验指出了Mg离子的六配位，理论家们有了一个想法。
“我们的假设是溶解的氯化镁盐可能从溶液中沉淀出来，或者至少在初始盐浓度高且接近溶解度极限的情况下形成氯化镁晶体的种子，”Wan说。“电极表面附近浓度的局部波动可能足以驱使这种转变为固相配位，并通过以不溶形式捕获活性物质而在工作电池中产生问题。”
Prendergast和Wan表示，他们的研究结果提醒电池设计者要注意镁离子的高电解质浓度。
“此外，”Prendergast说，“我们的研究结果可能会激发未来实验的设计，探索从可溶性四重配位多价离子物种到难溶性六倍物种形成的转变 - 特别是因为我们已经预测到了这一点(Mg) K边缘)X射线吸收测量应该在这些限制情况之间提供明确的对比。“
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