中國粉體網(wǎng)訊 可充鎂金屬電池作為后鋰離子電池時(shí)代最具競(jìng)爭(zhēng)力的儲(chǔ)能體系之一，憑借其高比能、高安全和低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，正受到產(chǎn)學(xué)研界的日益關(guān)注。然而，鎂金屬電池的發(fā)展一直受限于兩大瓶頸問題：（1）缺乏同時(shí)兼顧鎂金屬負(fù)極與相應(yīng)正極需求的鎂電解質(zhì)體系；（2）缺乏性能優(yōu)異的儲(chǔ)鎂正極材料，因?yàn)槎䞍r(jià)鎂離子（Mg2+）具有較高的電荷密度，造成Mg2+在正極材料晶格內(nèi)部受到庫倫力作用的牽制而造成離子擴(kuò)散速度緩慢，所以常見的嵌入型正極材料普遍表現(xiàn)出較差的可逆脫嵌Mg2+能力。
針對(duì)鎂電解質(zhì)方面的問題，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究員崔光磊帶領(lǐng)的仿生與固態(tài)能源系統(tǒng)研究組已經(jīng)開發(fā)出一系列硼基鎂電解質(zhì)體系，表現(xiàn)出優(yōu)異的可逆沉積溶解鎂性能和導(dǎo)Mg2+能力（Adv. Energy Mater., 2017, 1602055；Electrochem. Commun., 2017, 83, 72；Energy Environ. Sci., 2017, 10, 2616-2625；ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 28, 23757-23765；Advanced Materials, 2019, 31(11): 1805930）。針對(duì)儲(chǔ)鎂正極材料方面的問題，研究人員則重點(diǎn)關(guān)注具有高比容量特性的轉(zhuǎn)化型正極，基于前期自己開發(fā)的硼基鎂電解質(zhì)體系，研究組已開發(fā)了具有高能量密度的鎂-硫、鎂硒電池體系（Adv. Funct. Mater., 2017, 1701718；Energy Storage Materials, 2020, 26: 23-31），發(fā)現(xiàn)在硫、硒等正極中引入金屬銅能夠極大地提升正極側(cè)電化學(xué)反應(yīng)的速率和可逆性，分析其原因在于，金屬銅的存在促使了正極側(cè)銅硒化合物和銅硫化合物的生成，但關(guān)于銅硒化合物和銅硫化合物的具體儲(chǔ)鎂機(jī)理過程仍有待揭示。
最近，該研究組在國際期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》上發(fā)表了最新研究工作，發(fā)現(xiàn)在Cu3Se2這一銅硒化合物正極中，Cu+作為活性載流子能夠有效調(diào)控正極側(cè)的電化學(xué)鎂化/去鎂化過程。具體而言，Cu+在正極材料內(nèi)部與其界面處液相電解液間建立了快速、可逆的化學(xué)平衡，從而在正極側(cè)引入了Cu+/Cu氧化還原電對(duì)，而Cu+/Cu高度可逆的氧化還原反應(yīng)極大地降低了充放電過程中正極側(cè)的極化電壓并提升了比容量。通過Cu+的媒介作用，鎂電池正極反應(yīng)的可逆面容量可以提升至12.5 mAh cm-2。值得一提的是，電極和電解質(zhì)之間的Cu+平衡也可能存在于其他銅硫化合物或銅硒化合物正極中，例如Cu2S和Cu2Se。這一電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制的揭示將有助于一系列高比能儲(chǔ)鎂正極材料的開發(fā)研究。
上述工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委、中科院青促會(huì)、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）
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