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化学院周新红副教授团队在可充镁金属电池领域取得系列进展
作者:周新红、赵一民、杜奥冰  审核:杨小明、张岩 来源:化学院  编辑:王文艳 点击:[] 日期:2021年07月01日

进入21世纪以来,人们对于可持续性储能电池的需求日益增长,对电池能量密度和安全性能提出了越来越高的要求。在众多金属负极二次电池中(锂、钠、钾、镁、钙、锌等),镁金属负极拥有不易长枝晶、高体积比容量(3833 mAh cm–3)、高储量(地壳丰度2.3%)、低成本和高安全等诸多优势。因此,可充镁金属电池是一种极具开发潜力的低成本、高性能的新型电池体系。然而,由于镁金属负极表面极易形成阻碍镁离子传导的界面钝化层,所以开发与镁金属负极兼容的新型电解液体系,以及精准调控镁金属负极的界面相组成,对于可充镁金属电池的实用化进程至关重要。

近来,青岛科技大学化学院周新红副教授团队在镁金属负极表面成功设计并构筑了一种铋基人工界面保护层,该保护层不仅有效抑制了常用镁电解液体系在镁金属负极上有害的分解反应,而且促进了均匀的镁沉积行为,抑制电池内短路的发生。更为重要的是,改性后镁金属负极匹配各种转化型正极后的全电池性能都表现优异,证明了该保护层的实用化价值。相关成果发表在能源类顶刊ACS Energy Letter上(文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c01243)。

图1铋基人工界面保护层的作用机制

除了上述最新成果,近年来周新红团队及其合作者们在高性能及高安全的可充镁电池研究方向上做了大量系统深入的前瞻性研究,尤其在新型镁电解质体系开发和镁金属负极界面改性两大方向都取得了重要的阶段性进展,得到了国际同行的高度认可。

在新型镁电解质体系方面:周新红团队及其合作者创新性地提出了硼基大阴离子镁盐的设计理念,并以此为指导,合成得到一系列具有高离子电导率、非亲核性和宽电化学窗口等优异性能的镁电解液体系(Adv. Energy Mater., 2017, 1602055;Electrochem. Commun., 2017, 83, 72;ACS Appl. Mater. Inter., 2018, 10(28), 23757-23765;Energy Environ. Sci., 2017, 10, 2616-2625)。同时,基于团队自己开发的硼基镁电解液,构建了高能量密度的镁-硫、镁-硒电池体系,实现了高倍率、长循环的优异电池性能(Adv. Funct. Mater., 2018, 28,1701718;Energy Storage Mater., 2020, 26, 23-31)。此外,研究人员通过硼氢化镁与聚四氢呋喃端羟基的原位交联反应,在玻璃纤维骨架上构建了一种能够可逆地沉积溶解镁的凝胶聚合物电解质体系。该凝胶电解质不仅能在宽温区(-20–60 ℃)内正常工作,并且展现出优异的安全性能(Adv. Mater. , 2019, 31(11), 1805930)。

在镁金属负极界面研究方面,周新红团队首次发现一种纯锂盐电解液体系能直接用作导镁电解液,并首次证实了,在电化学循环过程中,伴随着部分锂盐的分解,镁金属负极表面原位形成了稳定的导镁固体电解质界面相,引起研究人员们的广泛关注(Adv. Mater., 2020, 32(6), 1904987)。另外,基于铝中心阴离子镁盐设计,通过阴离子—溶剂配位作用来调控分子轨道能级,成功构建了稳定的导镁固体电解质界面相,极大地提高了电池的可逆性以及长循环稳定性(Small, 2020, 16(49): 2005424)。

图2周新红团队在镁电解质开发和镁金属负极界面改性等方面的代表性工作

虽然可充镁电池体系的研究尚处于应用基础阶段,但周新红副教授在该方向上的深入工作为未来低成本电池体系的发展提供了新思路和新方向。上述研究工作得到了国家自然科学面上基金(52072195)和青岛储能产业技术研究院的重点基金(110万)的大力支持。

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