鎂電池由于其資源豐富、體積比容量大、鎂負極電沉積不易形成枝晶等眾多優點日益受到關注。然而，高電位穩定電解液和可脫嵌鎂的結構原型的缺乏限制了目前鎂電池的發展。現在商用的碳酸酯類電解液會在鎂負極表面形成離子無法傳導的致密鈍化層，使其無法在鎂電池體系中得到應用；另外，二價鎂離子電荷密度高，相比單電荷陽離子更難在正極材料中固相擴散，因此能用作鎂電池正極的材料非常有限。
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟帶領的研究小組在鎂基電池體系及其反應機理的研究方面取得了系列進展。
該團隊提出一種基于轉化反應的高能量密度的雙鹽鎂電池體系，該體系以過渡金屬硫化物為正極材料，鎂鋰雙鹽溶液為電解液，金屬鎂為負極（圖1）。其特點是正極電化學過程是由電解液中鋰離子驅動的轉換反應，不僅避免了鎂離子緩慢晶格內遷移的問題，也實現了大容量的多電子轉移，同時緩和了多硫化物溶解的問題；而負極的電化學過程由可逆的鎂沉積和剝離主導，在長期循環中也沒有枝晶形成，安全穩定的鎂負極極大提升了電池的循環性能。該混合型鎂電池體系可將正極能量密度提升至400 Wh/kg 左右。相關研究成果發表在Adv. Funct. Mater. 2015, DOI: 10.1002/adfm.201503639。
此外，該團隊提出在超薄納米結構上修飾功能基團，以實現鎂基電池在三維多孔正極網絡中的快速表面氧化還原反應，不僅同樣可避免二價陽離子緩慢的晶格內遷移，而且改善了鎂電池的動力學性能（圖2）。此體系以氟化石墨烯為模型材料，由預先的陰離子嵌入來激活后續的可逆陽離子脫嵌，實現了容量大于100 mAh/g的類似贗電容行為的電化學。在循環過程中，遷移離子電荷密度的稀釋和表面氧化還原反應位的易到達性有利于電位極化的改善和MgF2成核現象的消除。相關研究成果發表在Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 6519-6526。
相關研究工作得到了中科院百人計劃、國家自然科學基金和中國博士后科學基金等項目的資助和支持。
圖1: 基于正極轉換反應的雙鹽鎂基電池
圖2: 陰離子嵌入氟化石墨烯納米片以激活無過渡金屬的鎂基電池
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