以智能電網為代表的大規模儲能裝置的應用對儲能電池的迴圈壽命, 功率密度, 成本, 安全性等提出了更高的要求. 室溫二次鎂基電池是一類以金屬鎂為負極的電化學儲能體系, 具有負極地殼儲量豐富, 成本低(金屬鎂的價格不足金屬鋰價格的5%), 體積比容量大(3833 mAh/cm3), 電化學迴圈過程中無枝晶生成等優勢, 且鎂離子的理論還原電位只比鋰離子高出0.6 V 左右, 只要採用適配的正極結構框架, 鎂基電池仍可維持與鋰離子電池相當的能量密度. 而且, 穩定的鎂離子可逆沉積/剝離有助於抑制負極端體積膨脹, 減少電解液消耗, 顯著改善鎂基電池的迴圈壽命和功率密度. 因此, 鎂基電池可在不犧牲能量密度的前提下, 滿足下一代儲能體系的指標要求.
鎂雙鹽電解質激活, 基於納米結構玫瑰紅酸鹽的大容量有機鎂電池
然而, 緩慢的鎂離子晶格內遷移和無機框架的低理論容量等缺點仍限制著鎂電池的廣泛應用. 鋰鎂雙鹽電解質體系通過佔主導的鋰離子(代替鎂離子)嵌入正極晶格可實現正極端動力學的激活, 同時不犧牲鎂金屬負極端迴圈過程的穩定性, 避開了鎂離子動力學性能差的缺點, 極大拓展了鎂電池正極材料的選擇範圍. 近日, 中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員李馳麟帶領的團隊提出一類雙鹽電解質激活的多電子反應的有機鎂電池, 其正極採用綠色可再生的玫瑰紅酸鹽(如Na2C6O6). 相關成果發表在美國化學會旗下刊物 ACS Nano 上(DOI: 10.1021/acsnano.7b09177).
納米結構的有機體系以高密度羰基(C=O)作為氧化還原反應位, 可實現高達350-400 mAh/g 的可逆容量(三電子轉移), 通過還原氧化石墨烯(RGO)配線可進一步實現高倍率的電化學性能, 其在2.5 A/g (5 C) 和 5 A/g (10 C)電流密度下的容量仍可分別維持在200 和175 mAh/g , 高倍率性能也受益於大電流和長迴圈條件下鎂負極仍無枝晶形成. 這一優異性能受益於鋰在 Na2C6O6 中的高本徵擴散係數(10-12-10-11cm2/s)和大於60%的贗電容貢獻, 更牢固的非鋰釘紮效應(通過 Na-O-C 和 Mg-O-C 實現)可抑制晶粒中 C6O6 層的剝落, 實現長達至少600次的充放電迴圈. 這一有機鎂電池的正極活性物質的能量密度可超過500 Wh/kg , 可容忍超過4000 W/kg 的功率密度, 這一性能超過了基於無機結構的高電位嵌入正極材料的水平.
該團隊長期致力於鎂基電池動力學改善策略的研究, 前期已開發出陰離子嵌入激活, 反應中心外露的鎂氟化石墨烯電池(Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 6519–6526), 開發出基於大容量多硫化物轉換反應的雙鹽鎂基電池(AdvFunct Mater. 2015, 25, 7300-7308), 提出了大倍率, 長迴圈 Mg-S 電池的實現途徑(Adv Mater. 2018, 30, 1704166).
該研究工作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千人計劃等項目的資助和支援.