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以智能電網(wǎng)為代表的大規(guī)模儲能裝置的應(yīng)用對儲能電池的循環(huán)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(fù)極的電化學(xué)儲能體系，具有負(fù)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(xué)循環(huán)過程中無枝晶生成等優(yōu)勢，且鎂離子的理論還原電位只比鋰離子高出0.6V左右，只要采用適配的正極結(jié)構(gòu)框架，鎂基電池仍可維持與鋰離子電池相當(dāng)?shù)哪芰棵芏取６?，穩(wěn)定的鎂離子可逆沉積/剝離有助于抑制負(fù)極端體積膨脹、減少電解液消耗，顯著改善鎂基電池的循環(huán)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(biāo)要求。
然而，緩慢的鎂離子晶格內(nèi)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(yīng)用。鋰鎂雙鹽電解質(zhì)體系通過占主導(dǎo)的鋰離子(代替鎂離子)嵌入正極晶格可實現(xiàn)正極端動力學(xué)的激活，同時不犧牲鎂金屬負(fù)極端循環(huán)過程的穩(wěn)定性，避開了鎂離子動力學(xué)性能差的缺點，極大拓展了鎂電池正極材料的選擇范圍。近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟帶領(lǐng)的團隊提出一類雙鹽電解質(zhì)激活的多電子反應(yīng)的有機鎂電池，其正極采用綠色可再生的玫瑰紅酸鹽(如Na2C6O6)。相關(guān)成果發(fā)表在美國化學(xué)會旗下刊物ACS Nano上(DOI: 10.1021/acsnano.7b09177)。
納米結(jié)構(gòu)的有機體系以高密度羰基(C=O)作為氧化還原反應(yīng)位，可實現(xiàn)高達350-400 mAh/g的可逆容量(三電子轉(zhuǎn)移)，通過還原氧化石墨烯(RGO)配線可進一步實現(xiàn)高倍率的電化學(xué)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，高倍率性能也受益于大電流和長循環(huán)條件下鎂負(fù)極仍無枝晶形成。這一優(yōu)異性能受益于鋰在Na2C6O6中的高本征擴散系數(shù)(10-12-10-11cm2/s)和大于60%的贗電容貢獻，更牢固的非鋰釘扎效應(yīng)(通過Na-O-C 和Mg-O-C實現(xiàn))可抑制晶粒中C6O6層的剝落，實現(xiàn)長達至少600次的充放電循環(huán)。這一有機鎂電池的正極活性物質(zhì)的能量密度可超過500 Wh/kg，可容忍超過4000 W/kg的功率密度，這一性能超過了基于無機結(jié)構(gòu)的高電位嵌入正極材料的水平。
該團隊長期致力于鎂基電池動力學(xué)改善策略的研究，前期已開發(fā)出陰離子嵌入激活、反應(yīng)中心外露的鎂氟化石墨烯電池(Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 6519–6526)，開發(fā)出基于大容量多硫化物轉(zhuǎn)換反應(yīng)的雙鹽鎂基電池(AdvFunct Mater. 2015, 25, 7300-7308)，提出了大倍率、長循環(huán)Mg-S 電池的實現(xiàn)途徑(Adv Mater. 2018, 30, 1704166)。
該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院百人計劃和上海千人計劃等項目的資助和支持。
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