環(huán)球通訊!突破多項技術(shù) 鎂金屬二次電池關(guān)鍵科學(xué)問題等方面取得系列進展
(資料圖片僅供參考)
鎂二次電池指的是以金屬鎂為負極的可循環(huán)電池,組成鎂二次電池的核心是鎂負極、電解液及能嵌入Mg的正極材料。金屬鎂具有極高的體積容量,是作為高體積能量密度電池負極的極佳選擇。鎂二次電池的工作原理與鋰二次電池原理相同,但是,鎂二次電池比鋰二次電池更安全,因為鎂及相當(dāng)多的鎂化學(xué)物都是無毒或低毒的,并且鎂不如鋰活潑,更易于加工操作,鎂暴露在空氣也比鋰安全,而且鎂電池沒有類似鋰電池的枝晶生長的問題。
近年來發(fā)展起來的可循環(huán)鎂二次電池極具潛力,成為“后鋰離子電池”時期極具發(fā)展?jié)摿Φ碾姵伢w系之一。中國是全球最大的鎂資源及鎂加工產(chǎn)品的生產(chǎn)國和出口國,因此,我國發(fā)展鎂電池具有得天獨厚的資源優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。然而,鎂金屬二次電池的發(fā)展尚處于初期階段,還有諸多技術(shù)瓶頸亟待克服。
為此,中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心圍繞鎂電池中的關(guān)鍵科學(xué)問題,開展了大量富有影響力的研究工作。在鎂金屬負極是否存在枝晶問題上,研究團隊通過多種原位譜學(xué)表征證明,施加電流大小直接影響了電化學(xué)反應(yīng)界面處的含氯物種分布,進而引發(fā)了不同的鎂溶出行為。該研究不僅引起科學(xué)家對各種金屬負極溶出行為的重點關(guān)注,同時啟發(fā)研究者們,要綜合考慮金屬負極的沉積-溶解過程才能判斷其真正的實用性。
研究團隊早期開發(fā)了大量銅硫化合物和銅硒化合物儲鎂正極材料,近期,為了充分認(rèn)識其電荷存儲機制,研究團隊以Cu2-xSe為模型材料,利用該類材料中的特殊陰離子補償機制,在Cu2-xSe正極中引入Mo6S8,制備得到的嵌入-轉(zhuǎn)化型復(fù)合正極能夠有效固定正極側(cè)的多硒化物,顯著提高了電化學(xué)性能。在100mA g-1的電流密度下,可逆比容量從140mAh?g-1提高到220mAh?g-1,而且倍率性能和長循環(huán)穩(wěn)定性也有大幅提升。這項工作為硫族轉(zhuǎn)化型正極的研究提供了全新認(rèn)識,對新型高能儲鎂正極的開發(fā)具有重要意義。
為了充分發(fā)揮鎂金屬電池的高安全特性,進一步拓展其在高溫特種電源方面的應(yīng)用場景,研究團隊還設(shè)計開發(fā)了一種具有自支撐特性的單離子導(dǎo)體聚合物基鎂電解質(zhì),能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合電化學(xué)性能。利用該聚合物電解質(zhì)組裝的鎂金屬二次電池可以在150℃高溫條件下正常運行,還為地下資源勘探、火星探測等高溫特種電源領(lǐng)域提供了技術(shù)儲備。
鎂電池滿足了人們對于開發(fā)高性能、低成本、安全環(huán)保的大型充電電池的需求。但由于目前鎂電池的容量不足,鎂二次電池的研究還處于初級階段,離實際應(yīng)用仍有一段距離。但隨著對鎂二次電池研究的不斷深入,我們很有可能可以看到,鎂二次電池真正成為大型設(shè)備的新能源的一天。
(資料來源:科技日報)
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