性能大突破,鎂電登頂Nature Energy!

2021-02-20 微算雲平臺


隨著電化學儲能技術在社會中的快速發展和應用，需要開發集高能量、高功率和低成本為一體的新一代電池。在許多鋰離子後電池中，利用二價Mg2+作為電荷載體的可充電鎂電池有望在體積能量密度和電池的成本方面提供實質性的改善，因為使用了地球上豐富的、高容量和更安全的無枝晶金屬陽極鎂。然而，功率密度一直是這項技術的阿喀琉斯之踵。這一挑戰的根本原因是二價Mg2+離子的固有特性:它擁有鋰離子兩倍的電量，而具有於鋰離子相似的離子半徑。因此，經典插層化學中的兩個基本過程，離子離解與固態離子擴散，在室溫下是緩慢的。即使是最先進的插層陰極材料，如Mo6S8，也需要更高的溫度才能達到其理論容量。其他陰極材料在室溫下表現出快速的動力學，尤其是有機聚合物和層狀化合物，但實際上被發現可以存儲部分複雜的離子，如MgCl+和溶劑化離子。休斯敦大學姚彥和豐田北美研究所Rana Mohtadi 在Nature Energy上發表文章「High-power Mg batteries enabled by heterogeneous enolization redox chemistry and weakly coordinating electrolytes」，報告了一種涉及羰基還原(C=O→C-O−)的異構烯醇化化學，它繞過了解離和擴散的困難，實現了快速、可逆的氧化還原過程。這種動力學佔優的陰極與調節的、弱配位作用的硼團簇電解質相結合，可以在20 mA cm-2的電流密度下進行無枝晶的鎂電鍍/剝離。該組合提供的Mg電池提供的比功率高達30.4 kW kg−1，幾乎比最先進的鎂電池高兩個數量級。本文所闡明的陰極和電解液化學現象，推動了鎂電池的發展，並將加速這一低成本、安全的電池技術的應用。

圖1. 提出的陰極異相烯醇化氧化還原化學，反應過程和電化學曲線

圖2. 非均相烯醇化氧化還原化學對循環穩定性和陽極可逆性

圖3. MMC/(DME-G2)電解液的設計過程及電化學性能

圖4. Mg-PTO全電池在0.5 mol kg-1MMC / (DME-G2)電解液中的電化學行為High-power Mg batteries enabled by heterogeneous enolization redox chemistry and weakly coordinating electrolytes. Nat Energy (2020). https://doi.org/10.1038/s41560-020-00734-0https://www.nature.com/articles/s41560-020-00734-0

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