可充镁电池性能调控策略及展望

可充镁电池性能调控策略及展望【研究背景】
随着社会和科学技术的发展,对于可充电池的要求也越来越高,传统的可充锂电池面临着能量密度低、安全性较低以及锂资源紧张等问题。可充镁电池因为具有高体积能量密度,高安全性和镁资源丰富等优点,广受研究者们关注。但是其发展仍受很多因素限制,发展更加适用于可充镁电池体系的正极材料和电解液依旧是亟待解决的问题。近年来,有大量对可充镁电池改性的相关工作被报道,包括“软”阴离子、络合离子或溶剂化离子、扩展层间距以及掺杂改性等等。然而很少有文章去总结和讨论这些改性策略,该综述从性能调控策略出发,讨论各改性策略以及发展展望。
 
【工作介绍】
近日,青岛科技大学李桂村课题组和中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊课题组等人从可充镁电池性能调控策略出发,综述了近年来对于可充镁电池性能提升的研究进展以及发展展望。该文章发表在国际顶级期刊ACS Nano上。张金磊为本文第一作者。
 
【文献简介】
1. 镁离子存储性能提升策略
相比于锂离子,镁离子极化程度大,其与正极材料的静电作用力更强,从而导致其在正极材料中扩散动力学迟缓。近年来,有很多对可充镁电池正极材料进行改性的工作被报道,设计了一系列的改性策略,包括设计“软”阴离子基正极材料、嵌入溶剂化或络合离子、扩展层状正极材料层间距、掺杂改性、纳米化、设计亚稳相正极材料、提高温度、设计杂化电池以及发展有机正极材料等。

“软”阴离子基正极材料,相对于氧化物而言,硫/硒化物与镁离子有更低的静电相互作用力,从而镁离子在硫/硒化物的扩散动力学会有较大的提升;但是电池的电压平台会受到限制,而且阴离子溶解问题也需要解决。嵌入溶剂化或络合离子,会削弱镁离子与正极材料的静电相互作用力,降低去溶剂化势垒;但是嵌入更大半径的离子可能会导致正极材料结构的坍塌,降低能量密度。扩展层间距,对于削弱镁离子与正极材料的静电相互作用力也有很好的效果,对于提升镁离子在层状正极材料的扩散是一个很好的策略,同时还可能会提供更多的活性位点;但也会造成体积能量密度降低,甚至是正极材料结构的坍塌。掺杂改性,会提高材料的导电性,同时也会提供更多的活性位点;但其合成工艺会变得复杂。纳米化,会缩短镁离子的扩散路径,提高了电解液对电极材料的浸润性,同时也会提供更多的赝电容活性位点;但是纳米化会导致振实密度低以及易产生副反应等问题。设计亚稳相正极材料,也会缩短离子扩散路径,提供更多的活性位点;但是材料的结构稳定性可能会变差。提高温度,会促进离子扩散和电荷转移;但是安全性问题需要注意。设计杂化电池,不仅是可充镁电池体系,其他电池体系也会采用杂化策略,兼顾金属负极和其他正极材料的优点,对于电池整体的性能有很大的提升;但其详细的反应机理及其对电池能量密度的影响仍需要进一步探索。有机材料因结构较为灵活,可以调控,所以发展有机材料也是一个很好的提升电池性能的策略;但是有机材料热力学稳定性较差,而且能量密度可能较低。
 
2. 负极材料性能提升策略
使用镁金属作为电池负极有很多优点,例如不易产生枝晶、高体积容量和价格低廉等。也有很多策略去进一步提升镁在负极的电化学沉积溶解性能,包括设计人工界面层、发展适合可充镁电池体系的电解液以及探索其他负极材料等。
 
3. 镁-硫/硒电池性能提升策略
可充镁-硫/硒电池体系拥有很高的能量密度,然而其正极材料通常显现出低电导率、迟缓的转换反应动力学以及多硫/硒化物在电解液中溶解等问题。正极结构设计、锂离子调节、采用非亲核电解液以及采用铜集流体/中间层等策略对可充镁-硫/硒电池的性能有很大的提升。 
可充镁电池性能调控策略及展望
图1 (a)可充镁电池改性策略;(b)各用于能量储存技术的金属材料的价格、体积容量和电荷密度
 
对于可充镁电池的发展而言,已经有许多工作对其做出了重大贡献,各种策略既有有利的一面,也存在或多或少的问题。本综述从改性策略入手,总结并展望了近年来可充镁电池体系的发展,希望对于可充镁电池体系或者是其他电池体系的研究工作者提供一定的帮助。 
可充镁电池性能调控策略及展望
图2 可充镁电池发展历史
 
作者简介 
可充镁电池性能调控策略及展望
张金磊,青岛科技大学材料科学与工程学院材料科学与工程2020级研究生。 

可充镁电池性能调控策略及展望
张忠华,青岛科技大学材料科学与工程学院特聘副教授,硕士生导师。从事于新型电化学储能期间领域的研究工作,针对可充镁电池电解质及电池体系等方面开展学术研究。 

可充镁电池性能调控策略及展望
李桂村,青岛科技大学材料科学与工程学院教授,博士生导师。曾获“山东省有突出贡献的中青年专家”、“青岛市拔尖人才”、“山东省第三届优秀研究生指导教师”等荣誉称号。2021年入选由斯坦福大学John P. A. Ioannidis教授团队与Elsevier旗下Mendeley Data发布的全球前2%顶尖科学家榜单。 

可充镁电池性能调控策略及展望
崔光磊,中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员,博士生导师。国家新能源汽车专项高比能固态锂电池技术项目首席科学家,国家级人才,国家杰出青年科学基金获得者,国务院特殊津贴专家。获山东省自然科学一等奖、青岛市自然科学一等奖等奖项。2005年于中国科学院化学所获得有机化学博士学位,2005年9月至2009年先后在德国马普协会高分子所和固态所从事博士后研究。2009年2月以研究员到中科院青岛生物能源与过程所工作,现任中科院青岛能源所学位委员会主任、学术委员会副主任,青岛储能产业技术研究院执行院长、能源应用技术研究室主任,国际聚合物电解质委员会理事、国际储能创新联盟理事、中国化学会电化学委员会委员、中国化学会有机固体专业委员会委员等。近几年主要从事高比能固态电池关键材料和系统研发、深海特种电源开发应用及固态光电转换器件的研究工作。

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参考文献: