中科院AFM: LiCl作為電解液添加劑延長Mg/S的循環壽命

【引言】

金屬鎂具有極高的理論比容量(2205 mA h g ^-1)和體積比容量(3833 mA h cm^-3)，價格低廉可作為高能量密度電池的負極。此外，由于鎂金屬無枝晶產生因而具有比鋰金屬更好的安全性。因此，構建基于轉換反應的電化學儲能裝置（例如Mg/S電池）是一個非常有前景的策略。然而，與Li不同的是，Mg容易形成電化學惰性的表面層，這嚴重限制了它的應用。目前，可以有效地沉積/剝離金屬Mg且具有低的過電位和高庫倫效率的電解液大多是基于二氯或其苯基配合物。然而，它們會與硫正極會發生反應，因此很難在Mg/S電池上得到應用。鎂/硫電池用非親核電解液已引起廣泛關注。正如鋰離子電池的歷史所證明的，電解液中的添加劑對于電池的成功是必不可少的。對于Mg和Mg/S電池，添加添加劑也是一種提高其性能的經濟且有效的方法。

【成果簡介】

近日，中科院蘇州納米所及清華大學張躍鋼教授團隊提出使用LiCl作為電解液添加劑來促進Mg金屬負極的沉積/剝離，并成功地將此方法應用于新開發的全無機電解質[Mg·6THF] [AlCl₄]₂。實驗結果表明，Mg/Mg對稱電池在500μA cm^-2下的電流密度下過電位僅為140 mV，Mg/S電池在0.4 C的倍率下循環壽命超過500次。相關研究成果“Extending Cycle Life of Mg/S Battery by Activation of Mg Anode/Electrolyte Interface through an LiCl-Assisted MgCl₂?Solubilization Mechanism”為題發表在Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖一電解液的光學照片和對稱電池性能表征

（a，b）0.6 m MgCl₂和0.6 m MgCl₂-LiCl在THF中的光學照片。

（c）基于不同電解液的Mg/Mg對稱電池在10至500μAcm^-2的不同電流密度下的時間-電壓曲線。

（d）添加了LiCl的電解液中Mg–Mg對稱電池在500μAcm^-2的電流密度下的時間-電壓曲線。

圖二原始和添加LiCl的電解液的電化學特性。

（a）LSV曲線。

（b）Mg /Mg對稱電池的EIS譜圖。

（c）以鉑作為工作電極，以鎂金屬箔作為對電極和參比電極的CV曲線。

（d）隨著時間的推移，Mg沉積和溶解的電荷圖。

圖三 金屬Mg的沉積行為表征

（a，b）添加LiCl的電解液中Cu襯底上的Mg沉積物的SEM圖像。

（c）在添加了LiCl的電解液中，銅箔上的Mg沉積物的XRD圖譜。

（d）在添加了LiCl的電解液中，銅基底上的沉積物的XPS。

圖四Mg/Mg對稱電池在電解液中的Mg沉積/剝離行為。

圖五電解液的光譜表征和相應的分子構型

?圖六Mg/S的電化學性能表征

（a）EIS阻抗譜圖。

（b）0.1C下的循環性能。

（c）充電曲線對比。

（d）在不同倍率下的充放電曲線。

（e）在0.4C的倍率下的長循環性能。

【小結】

總之，作者發現了LiCl可作為[Mg·6THF] [AlCl₄]₂電解液的良好添加劑，它可以溶解不溶的MgCl₂沉積物并激活金屬鎂/電解液界面。實驗結果表明，添加LiCl的電解液能夠顯著降低金屬Mg電極的電化學過電位勢。在電解液質的作用下，Mg/S電池以0.4 C的倍率循環了500次以上，可逆容量高達300 mA h g^-1。這種方法為設計高性能Mg/S電池的低成本全無機電解液開辟了一條新途徑。

文獻鏈接：“Extending Cycle Life of Mg/S Battery by Activation of Mg Anode/Electrolyte Interface through an LiCl-Assisted MgCl₂?Solubilization Mechanism”(Adv. Funct. Mater. 2019,DOI: DOI: 10.1002/adfm.201909370)

本文由材料人微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenvip 。