高倍率, 長壽命鎂硫電池體系: 受益於金屬有機框架 (MOF) 衍生碳載體和鋰鹽調節劑
電動汽車和智能電網等領域對電池能量密度, 安全性要求不斷提高, 發展低成本, 高能量密度, 安全的新型二次電池愈發迫切. 在諸多新型電池體系中, 鎂電池由於負極體積比容量高 (3833mAh/cm3) , 資源豐富, 在沉積/剝離中不易形成枝晶等優點, 受到廣泛關注. 但鎂離子體積小, 電荷密度大, 極化作用強等特點, 極大限制了可供二價鎂離子可逆脫嵌的正極材料選擇. 由於缺乏高電位的正極結構和電解液配方原型, 通過發展高電位的嵌入型鎂電池研究進展緩慢. 此外, 還有一種可行的路徑是構築適中電位的基於大容量轉換反應的鎂基電池體系, 如Mg-S電池 (理論能量密度高達1722Wh/kg) , 但Li-S電池中的成功策略無法簡單複製到Mg-S體系中, 已報道的鎂硫電池電位極化, 倍率和迴圈性能仍然較差.
為了避免二價鎂離子緩慢晶格內遷移的問題, 中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員李馳麟團隊在前期工作中已開發了鋰驅動多硫化物正極轉換反應的大容量雙鹽鎂基電池 (Adv. Funct. Mater. 2015, 25) , 同時提出了陰離子嵌入激活, 反應中心外露的鎂基電池體系 (Adv. Funct. Mater. 2015, 25) . 近日, 該團隊在動力學改善的鎂硫電池研究中取得重要進展. 研究人員選擇金屬有機框架化合物ZIF67為前驅體, 製備了一種Co, N異質原子共摻雜的分級多孔碳作為硫宿主材料, 實現了鎂硫電池的倍率和迴圈性能的顯著升級. 在1C倍率下, 該鎂硫電池表現出優異的迴圈穩定性, 首次放電容量可達600mAh/g, 200次迴圈後容量仍保持在400mAh/g左右. 在更高的5C倍率下, 電池仍然具有300-400mAh/g的可逆容量. 為繼續提升電化學性能, 研究人員採用還原氧化石墨烯修飾的隔膜來優化電池構架, 進一步限制了多硫化物的穿梭, 電池在0.1C電流密度下可運行250次迴圈以上, 顯著提高了鎂硫電池的迴圈穩定性. 鎂硫電池優異的電化學性能受益於多重因素的協同作用, 如異質摻雜有利於鎂硫電池在充放電過程中多硫化物的吸附和催化分解, 在非親核性鎂電解液中添加鋰鹽和氯離子有利於抑制鎂負極表面鈍化和提高電解液活性, 充放電模式調節和隔膜修飾有利於緩減和控制多硫化物的損失, 抑制其穿梭效應.
相關研究成果發表在 《先進材料》上. 該研究得到了國家重點研發計劃, 國家自然科學基金, 中科院 '百人計劃' 和上海市 '千人計劃' 等的資助.
