Nature Energy：具有超高比功率的鎂電池，比目前最佳性能還高出兩個數量級!

【引言】

眾所周知，具有高豐富度，高容量和無枝晶的鎂電池一直是鋰離子電池潛在的替代品，將極大提高電池的體積能量密度。然而，Mg²⁺陽離子的高離子電位使它在陰極中的擴散緩慢。同時還帶來了電解質中強離子締合的問題，導致溶劑分子或陰離子與Mg²⁺一起插入陰極。此外，金屬Mg的有效利用受到電解質離子電導率低和沉積/剝離效率差的阻礙，特別是在高電流密度下使用。結果表明，鎂電池具有較低的功率和能量性能。雖然之前一些研究報告了Mg電池具有通過儲存MgCl⁺而不是Mg²⁺的快速動力學，但這往往是以犧牲能量密度和循環壽命為代價的。盡管到目前為止進行了許多努力，但最先進的鎂電池仍然不能提供具有吸引力的性能。

近日，美國休斯敦大學姚彥教授和豐田北美研究所(TRINA) Rana Mohtadi教授（共同通訊作者）提出了一種雙管齊下的策略，解決了一直以來鎂電池實際功率密度較低的難題！比目前最佳性能還高出兩個數量級。一方面，通過繞開常規Mg陰極難以解決的高固態擴散勢壘難題，通過異相烯醇化氧化還原化學（不發生鍵斷裂/重新形成），來實現快速的正極氧化還原動力學；另一方面，通過在醚類混合溶劑中使用由弱配位陰離子組成的電解質，改善電解液的離子導電率和Mg²⁺的脫溶。具體來講，通過利用有機正極材料Pyrene-4,5,9,10-四酮（PTO）與改性的MMC電解質溶液，在獨特的醚混合物中而具有高溶解度的改性MMC電解質溶液相結合。結果表明，這兩種材料都表現出了優異的性能。相對于Mg²⁺/Mg，在2.1 V電壓下測試的PTO比容量為315 mAh g^?1，還可以在20 mA cm^-2的電流密度下進行無枝晶的Mg沉積/剝離。此外，基于這種策略，研究人員最終所制備的高功率鎂電池，其具有高達20 A g^?1的充放電功率，提供30.4 kW kg^?1的超高比功率，遠超于目前最先進的鎂電池（0.45 kW kg^?1）近兩個數量級。相關研究成果以“High-power Mg batteries enabled by heterogeneous enolization redox chemistry and weakly coordinating electrolytes”為題發表在Nature Energy上。

【圖文導讀】

圖一、提出的陰極異相烯醇化氧化還原化學

（a）具有MMC/G4的Mg-PTO電池在0.2C時的電壓曲線；

（b）將PTO還原成Mg₁PTO和Mg₂PTO的示意圖；

（c，d）0.5mM PTO和S₈的CV曲線；

（e）具有MMC/G4的Mg-PTO電池在0.2、1和5C時的倍率性能；

圖二、非均相烯醇化氧化還原化學對循環穩定性和陽極可逆性

（a）薄(~2μm)和輕質(0.48?mg?cm^-2)GO膜的Mg-PTO電池原理圖；

（b）電流密度為0.2C時循環的Mg-PTO電池循環穩定性和庫侖效率；

（c，d）在原始的MMC/G4電解液中，在分別含有Mg₁PTO 和MgS₈的情形下的電壓分布。

圖三、MMC/(DME-G2)電解液的設計過程及電化學性能

（a）在1:1(v/v)溶劑共混物中，MMC在0.3?mol?kg^-1中的溶解度圖；

（b）MMC在DME/G2混合物中的溶解度圖；

（c）在25°C下，G4和DME/G2混合物中MMC溶液濃度和離子電導率的關系；

（d）MMC/(DME-G2)的CV曲線；

（e）在電流密度從0.5到50 mA cm^-2時，Mg|Cu不對稱電池的極化曲線；

（f）在20 mA cm^-2的條件下，在Cu襯底上沉積Mg的橫截面SEM圖像；

（g）在20 mA cm^-2的條件下，Mg|Mg對稱電池的電壓曲線。

圖四、Mg-PTO全電池在0.5 mol kg^-1?MMC/(DME-G2)電解液中的電化學行為

（a）使用CC-CV充電和CC放電模式，Mg-PTO電池在1至50C的條件下的電壓曲線；

（b）在5C條件下循環的包含GO/GN的Mg-PTO電池的循環穩定性和庫侖效率；

（c）與報道的最先進Mg金屬電池的比較。

【小結】

綜上所述，作者開發了一種高功率Mg電池，其特點是采用有機醌正極與基于硼團簇的弱配位電解質，非均相烯醇化氧化還原化學是快速儲存Mg²⁺的關鍵，在混合溶劑中基于弱配位陰離子的電解質打開了高倍率和無枝晶Mg沉積的潛力。為今后更好的物理/化學性質和更好的循環穩定性打下了堅實的基礎，同時本文的結果為開發高性能的鎂電池正極材料和電解質溶液提供了方向，并揭示了使用高能量密度金屬進行快速儲能的可能性。

文獻鏈接：“High-power Mg batteries enabled by heterogeneous enolization redox chemistry and weakly coordinating electrolytes”(Nature Energy，2020，10.1038/s41560-020-00734-0)

?（1）姚彥教授介紹；

美國休斯敦大學電子與計算機工程系講席教授，英國皇家化學會會士，休斯敦大學能源存儲微電網中心副主任和德州超導中心成員。曾獲得海軍青年科學家獎、科睿唯安“高被引科學家”、美國發明家家學院高級會員、工程學院講席教授等獎勵。課題組目前主要從事全固態電池、水系電池、多價離子電池等方面的研究。課題組網頁: yaoyangroup.com

（2）團隊在該領域工作匯總?

? ? ? ? ? 多價態離子電池的現狀和未來趨勢 Nature Energy?2020,?5, 646–656

? ? ? ? ? 控制儲鎂機制構建高能有機聚合物鎂電池?Joule?2019, 3, 782-793

? ? ? ? ? 儲存鎂氯離子的擴層二硫化鈦電池 Nature Communications?2017, 8,?339

? ? ? ? ? 高電壓鎂鈉混合離子電池 Nano Energy?2017, 34, 188-194

? ? ? ? ? 石墨烯修飾的氧化釩納米線氣凝膠鎂電池正極材料 Nano Energy?2015, 18, 265-272

? ? ? ? ? 擴層二硫化鉬納米復合材料鎂電池Nano Lett.?2015, 15, 2194-2202

本文由材料人CYM編譯供稿。