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范丽珍团队AEM:可充电镁电池关键材料面临的挑战及最新研究进展

作者:中国储能网新闻中心 来源:全固态电池ASSB 发布时间:2020-05-21 浏览:次
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【概述】

可充电镁电池(RMBs)具有体积容量大、成本低、环境友好等优点,是继锂离子电池之后的新型储能研究领域崛起的一大新星,备受国内外众多学者的关注。近日,北京科技大学范丽珍教授团队对近年来可充电镁电池(RMBs)关键材料的研究进展进行了归纳总结。根据反应机理,对插层型正极和转化型正极等正极材料进行了详细的分类和介绍,阐明了正极材料结构对Mg2+离子迁移动力学的影响;阐述了Mg负极材料的改性和界面问题;分析了各类电解质材料的独特优势与存在的不足;并简要讨论了该领域面临的主要机遇和挑战。

【图文解读】

图1对比各种金属电极的理论容量(图1a)、还原电位(图1b)和在地壳中的丰度(图1c),结果显示:镁具有高的理论容量(3833mAh cm-3),低的还原电位(-2.37 vs SHE)和丰富的地壳含量。更重要的是,与锂负极相比,镁负极在循环过程中不产生枝晶,更安全,并在许多电解质中能够实现可逆沉积/剥离。基于上述原因,RMBs有望成为潜在的大规模储能系统之一。

图2在RMBs体系充放电的过程中,可以实现Mg2+离子在正负极活性材料中的嵌入/脱出反应(图2a),从而实现镁离子的可逆循环。然而,在含有普通盐(MgTFSI、MgClO4)的非质子溶剂中,镁负极表面钝化膜的存在阻碍了Mg2+离子的可逆沉积,导致其库仑效率较低。而且由于Mg2+的大极化度和强溶剂化性,嵌入无机基质中的双电子转移过程困难,现有的锂电池正极材料不能很好地应用于RMBs。因此,国内外学者针对上述原因就RMBs关键材料进行大量研究(图2b)。目前研究所得镁电池正负极材料的容量和电压的关系如图2c所示。

图3 RMBs的关键材料包括正极、负极和电解液。根据反应机理,对插层型正极(层状化合物、聚阴离子型化合物、Chevel相等)和转换型正极(硫族化物、有机物等)材料进行分类和介绍,阐明结构对Mg2+离子迁移动力学的影响;对Mg负极材料(镁金属、合金化合物等)的改性和界面问题进行详细阐述;分析液态电解质(格林试剂、含硼试剂等)和固态电解质(有机固态电解质、有机-无机复合固态电解质等)材料的独特优势与存在的不足。

下面对文章中部分内容及主要思想进行简单介绍:

图5 几种典型插入型层状正极材料的晶体结构。充放电过程中,镁离子在材料的层间进行可逆嵌入/脱出,因此,材料层间距的大小对储镁性能有着重要的影响。通过超声、利用小分子插层、或将纳米材料与之复合,不仅能够防止材料层与层之间的堆叠,而且可以增大材料的层间距,加快镁离子的迁移动力学,进而获得优异的储镁性能。

图15 有机材料是一种典型的转化型储镁正极材料。转化型材料充分利用充放电过程中结构重排和化学键断裂所释放的巨大容量,这些相结构的变化是电化学可逆的。因此,通过打破框架的限制,转化型正极材料的Mg储存性能可以达到插入型正极材料的几倍。

金属镁负极耐腐蚀性较差,表面生成的钝化膜使Mg2+难以通过,从而限制了其电化学活性;相比于单纯的金属镁负极,将Sn,Sb和Bi等金属与Mg进行合金化反应所形成的金属间化合物,具有高体积容量和较低的过电势,如图18所示,测试结果表明所得合金化合物是一类潜在的高比能可充镁电池负极材料。

电解质在电池中起着传递离子的作用,寻求兼具高的离子电导率、宽的电化学稳定窗口以及能够可逆沉积/溶解镁的电解质材料是推动镁离子电池发展的必要条件,如图19所示。

【结论】

可充电镁电池目前已经成为新型储能研究领域崛起的一大新星,发掘多种类的电极材料、优化电解质体系是推进镁离子电池性能的关键。现阶段对镁离子电池关键材料的研究取得了一定程度的进展,但还需要进一步完善。今后的研究主要集中在以下4个方面:

1) 合理设计正极材料的结构,减小Mg2+在其中的极化作用;

2) 对镁负极进行优化改性,尽可能地减少或消除钝化膜,促进Mg2+的快速传输;

3) 构建能够实现镁的可逆沉积/溶解而不腐蚀集流体的电解质材料,增强电极与电解质间的界面稳定性;

4) 深入探究电极材料的储镁机理、理解及预防失效机制。通过合理的设计材料的结构、优化电极/电解质体系,最终实现高容量、长寿命、高安全可充镁电池的构建,进而推动其在商业化大规模储能领域的广泛应用。

【参考文献】:

Fanfan Liu, Tiantian Wang, Xiaobin Liu, and Li-Zhen Fan*, Challenges and Recent Progress on Key Materials for Rechargeable Magnesium Batteries. Adv. Energy Mater. 2020, 2000787; DOI:10.1002/aenm.202000787.

关键字:镁电池 关键材料

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