鎂電池由于其資源豐富、體積比容量大、鎂負(fù)極電沉積不易形成枝晶等眾多優(yōu)點日益受到關(guān)注。然而，高電位穩(wěn)定電解液和可脫嵌鎂的結(jié)構(gòu)原型的缺乏限制了目前鎂電池的發(fā)展。現(xiàn)在商用的碳酸酯類電解液會在鎂負(fù)極表面形成離子無法傳導(dǎo)的致密鈍化層，使其無法在鎂電池體系中得到應(yīng)用；另外，二價鎂離子電荷密度高，相比單電荷陽離子更難在正極材料中固相擴散，因此能用作鎂電池正極的材料非常有限。
近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟帶領(lǐng)的研究小組在鎂基電池體系及其反應(yīng)機理的研究方面取得了系列進展。
該團隊提出一種基于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的高能量密度的雙鹽鎂電池體系，該體系以過渡金屬硫化物為正極材料，鎂鋰雙鹽溶液為電解液，金屬鎂為負(fù)極（圖1）。其特點是正極電化學(xué)過程是由電解液中鋰離子驅(qū)動的轉(zhuǎn)換反應(yīng)，不僅避免了鎂離子緩慢晶格內(nèi)遷移的問題，也實現(xiàn)了大容量的多電子轉(zhuǎn)移，同時緩和了多硫化物溶解的問題；而負(fù)極的電化學(xué)過程由可逆的鎂沉積和剝離主導(dǎo)，在長期循環(huán)中也沒有枝晶形成，安全穩(wěn)定的鎂負(fù)極極大提升了電池的循環(huán)性能。該混合型鎂電池體系可將正極能量密度提升至400 Wh/kg 左右。相關(guān)研究成果發(fā)表在Adv. Funct. Mater. 2015, DOI: 10.1002/adfm.201503639。
此外，該團隊提出在超薄納米結(jié)構(gòu)上修飾功能基團，以實現(xiàn)鎂基電池在三維多孔正極網(wǎng)絡(luò)中的快速表面氧化還原反應(yīng)，不僅同樣可避免二價陽離子緩慢的晶格內(nèi)遷移，而且改善了鎂電池的動力學(xué)性能（圖2）。此體系以氟化石墨烯為模型材料，由預(yù)先的陰離子嵌入來激活后續(xù)的可逆陽離子脫嵌，實現(xiàn)了容量大于100 mAh/g的類似贗電容行為的電化學(xué)。在循環(huán)過程中，遷移離子電荷密度的稀釋和表面氧化還原反應(yīng)位的易到達性有利于電位極化的改善和MgF2成核現(xiàn)象的消除。相關(guān)研究成果發(fā)表在Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 6519-6526。
相關(guān)研究工作得到了中科院百人計劃、國家自然科學(xué)基金和中國博士后科學(xué)基金等項目的資助和支持。
圖1: 基于正極轉(zhuǎn)換反應(yīng)的雙鹽鎂基電池
圖2: 陰離子嵌入氟化石墨烯納米片以激活無過渡金屬的鎂基電池
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