今日Nature Energy:超快鎂金屬電池

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鎂電池自2000年問世以來一直被認為有極大的潛力超越鋰離子電池，其原因主要是低價，高體積容量，並且無枝晶生長行為的鎂金屬可以直接用作電池負極。但是這項技術的發展一直非常緩慢。鎂二價離子和電解液與正極材料相互作用較強，導致鎂離子的解離和擴散極為緩慢，因此很少有正極材料可以高效地儲存鎂離子。當前為數不多的可儲鎂的正極材料也只有在高溫和低電流密度下才能趨近理論容量。此外，鎂金屬能否在高電流密度條件下保持無枝晶生長，業界也存在一定的爭議。因此，尋找到合適的電解液和正極材料讓Mg2+能夠快速地傳輸和存儲，將成為得到高功率鎂電池的關鍵。

近日，美國休斯頓大學姚彥教授課題組聯合北美豐田研究中心在鎂電池領域取得了重大突破，以「High-power Mg batteries enabled by heterogeneous enolization redox chemistry and weakly coordinating electrolytes」為題在Nature Energy上報導了一種基於異相氧化還原烯醇化機理和弱配位電解液的高功率鎂電池。該工作發現了一種能快速儲存Mg2+離子的正極反應機理，同時發明了一種基於醚類混合溶劑和弱配位陰離子(CB11H12 )的鎂電解液，使鎂金屬能夠在20 mA cm-2的高電流密度下無枝晶沉積。該電池實現了30.4 kW kg 1的功率密度，比之前報導的鎂電池的最高輸出功率高出幾乎兩個數量級。姚彥教授課題組近年來的一系列鎂電池的工作包括：

多價態離子電池的現狀和未來趨勢Nature Energy2020, 5, 646–656

控制儲鎂機制構建高能有機聚合物鎂電池Joule2019, 3, 782-793

儲存鎂氯離子的擴層二硫化鈦電池Nature Communications2017, 8, 339

高電壓鎂鈉混合離子電池Nano Energy2017, 34, 188-194

石墨烯修飾的氧化釩納米線氣凝膠鎂電池正極材料Nano Energy2015,18, 265-272

擴層二硫化鉬納米複合材料鎂電池Nano Lett.2015, 15, 2194-2202

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新型儲鎂機理

目前能真正儲鎂的正極材料分為嵌入型(intercalation)和轉化型(conversion)兩種。嵌入型材料內鎂離子擴散緩慢，導致它們只能在低電流密度或高溫下運作。轉化型正極材料的反應涉及共價鍵斷鍵過程，致使它們的反應動力學緩慢。為解決上述兩個問題，研究人員使用有機分子1,2-苯醌衍生物PTO提出了一種新的儲鎂機理，通過異相液固（沉積-溶解）反應巧妙地繞過了鎂離子固相擴散緩慢的問題（圖1a和1b），而且此反應利用了不涉及共價鍵成/斷鍵的羰基氧化還原反應（氧化還原烯醇化機理），避免了轉化型材料（例如S8）動力學緩慢的問題（圖1c和1d）。這種新的正極儲鎂機理致使有機材料PTO在無氯電解液Mg(CB11H12)2/tetraglyme中展現了優異的電化學性能（圖1e）。

該電池充放電曲線中出現兩個放電平臺，對應發生兩個雙電子還原反應，這與PTO分子中的四個羰基官能團（C=O C–O )相吻合。其放電比容量高達315 mAhg 1，平均放電電壓為2.03V。同步輻射軟X射線吸收譜（sXAS）證明了發生的氧化還原烯醇化反應是可逆反應。XPS和ICP進一步證明，在PTO的放電過程形成的兩個放電態的PTO電極中，B和Mg的元素比分別為2.12和2.54，說明PTO中儲存的是Mg2+而不是Mg(CB11H12)+，因為後者的B:Mg應為11:1。之後，研究人員把不同放電態的PTO正極材料從Swagelok電池中取出，浸泡在DME溶劑中，進行光學表徵來探索PTO反應機理。結果顯示，當PTO部分放電到2.0V時，其在DME中形成的是紫色溶液，說明形成的中間產物Mg1PTO是可溶的。而完全放電到0.9V後PTO呈現的是無色溶液，說明形成的終產物Mg2PTO是不可溶的。這是一種異相液-固反應，Mg2+和PTO4 間的自發沉澱抵消了溶劑從Mg2+剝離的能量消耗。雖然PTO與S電極均為異相反應，但PTO沒有共價鍵的斷裂和再形成過程，而S電極的很多問題都來自於其不可逆的和動力學緩慢的共價鍵斷裂和再形成過程。

圖1. 正極材料異相氧化還原烯醇化機理。

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異相氧化還原烯醇化機理的實用性

液-固反應會帶來兩個問題：（1）循環過程中不斷的溶解導致正極材料的損失，以及（2）溶解的正極放電中間產物導致鎂負極鈍化。為解決第一個問題，研究人員在正極和隔膜之間插入了一層氧化石墨烯（GO），用於阻止正極中間放電產物離開正極（圖2a），這使得該電池有良好的循環穩定性（圖2b）。對於第二個問題，研究人員發現溶解的Mg1PTO不會提高Mg負極的沉積溶解的過電勢（圖2c和2d），這與Mg-S體系中顯著增加的過電勢形成對比。

圖2. 異相氧化還原烯醇化化學對循環穩定性和陽極可逆性的實用性影響。

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高導電率無氯弱配位鎂電解液

研究人員發現即使PTO電極在MMC-G4電解液中已經展示了快速的反應動力學，電池的功率仍被高粘度強配位的tetraglyme（G4）溶劑所限制。為了完全挖掘該電池的功率性能，研究人員決定優化基於Mg(CB11H12)2的電解液，使用低粘度弱配位的溶劑來取代G4溶劑。雖然很多短鏈醚類溶劑都滿足此條件，可是在之前的工作中研究人員發現Mg(CB11H12)2不溶於那些醚類溶劑。但研究人員發現Mg(CB11H12)2可以溶於個別混合醚類溶劑組合。結果顯示THF/DME，DOL/DME，DOL/G2，THF/G2和DME/G2等組合均可以大幅提升Mg(CB11H12)2鹽的溶解度（圖3a）。在對Mg(CB11H12)2於DME/G2中溶解度（圖3b）和離子導電率（圖3c）詳細研究後，研究員們最終選擇0.5 mol kg 1MMC/(DME-G2)（1:1，質量比）做進一步研究。使用MMC/(DME-G2)電解液的三電極CV測試結果顯示，鎂負極沉積的過電位小於250mV，且鎂剝離過程電流可達100 mA cm-2，遠大於包括MMC/G4在內的其他鎂電解液可提供的電流。

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大電流密度下鎂金屬無枝晶沉積

圖3e展示了Mg|Cu非對稱電池的沉積-溶解的電化學性能，即便在50 mA cm-2的電流密度下，鎂金屬在MMC/(DME-G2)電解液中的沉積/剝離庫倫效率仍可以高達99.7%。圖3f顯示鎂在20 mA cm-2的電流密度和3 mAh cm-2的條件下無枝晶的沉積形貌。同樣條件下，Mg|Mg對稱電池可以穩定循環，累計沉積容量高達833 mAh cm-2（圖3g）。可見，即便是在如此苛刻的條件下，鎂金屬仍可以作為電池的安全負極。

圖3. MMC/(DME-G2)電解液的設計過程和電化學性能

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高功率鎂電池

最後研究人員結合PTO正極和MMC/(DME-G2)電解液構建了一個超高功率鎂電池。如圖4a所示，在408 mA g 1(1C)的電流下，相比使用MMC/G4電解液的情況，該電池的放電平臺更加明顯，平均放電電壓提高到2.1V，倍率性能更是大幅提升，在20C和50C的倍率下比容量分別可達到278和210 mAh g-1。5C倍率下，電池循環200圈以後依然具有82%的容量保持率（圖4b）。圖4c對比了當前基於純Mg2+存儲機理和用鎂金屬為負極電池的Ragone圖。之前報導的基於MgCl+或是溶劑化Mg2+存儲機理的電池不在比較範圍之內。可以看到，無論是基於嵌入反應機理的正極（如Mo6S8，Ti2S4）還是轉化反應機理的正極（S和I2），它們均表現出較差的動力學特性（充放電倍率最大只能到2C）。相反，基於異相烯化氧化還原機理的鎂電池展示出了30.4 kW kg-1的功率密度，這與之前最高功率密度（0.45 kW kg-1）的鎂電池相比是一個很大的提高。

圖4. 使用0.5mMMC/(DME-G2)電解液的Mg–PTO全電池的電化學性能

董暉博士和Oscar Tutusaus博士為本文的共同第一作者，其他作者包括休斯敦大學梁衍亮教授和博士生章也，以及勞倫斯伯克利國家實驗室的楊萬裡博士和Zachary Lebens-Higgins博士。姚彥教授和北美豐田研究中心Rana Mohtadi博士為本文共同通訊作者。

論文信息：

文章連結: https://www.nature.com/articles/s41560-020-00734-0

Hui Dong, Oscar Tutusaus, Yanliang Liang, Ye Zhang, Zachary Lebens-Higgins, Wanli Yang, Rana Mohtadi* and Yan Yao*, High-power Mg batteries enabled by heterogeneous enolization redox chemistry and weakly coordinating electrolytes integrated electronics, Nature Energy, 2020, DOI: 10.1038/s41560-020-00734-0

姚彥教授簡介：

美國休斯敦大學電子與計算機工程系講席教授，英國皇家化學會會士，休斯敦大學能源存儲微電網中心副主任和德州超導中心成員。曾獲得海軍青年科學家獎、科睿唯安「高被引科學家」、美國發明家家學院高級會員、工程學院講席教授等獎勵。課題組目前主要從事全固態電池、水系電池、多價離子電池等方面的研究。課題組網頁: yaoyangroup.com

課題組代表作:

Nature Energy 2020, DOI: 10.1038/s41560-020-00734-0

Nature Energy 2020, 5, 646-656.

Chem. Rev. 2020, 120, 6490-6557.

Nature Energy 2019, 4, 10-11

Joule 2019, 3, 782-793.

Joule 2019, 3, 1349-1359.

Joule 2018, 2, 1690-1706.

Nature Materials 2017, 16, 841-848.

Nature Comm. 2017, 8, 339.

招生信息:

課題組現招收具有以下背景的博後以及博士生。

1.固體電解質和固體電池

2.電池原位表徵技術

3.有機及無機電子及光電器件