中国科学院:深圳先进技术研究院研发出新型镁基双离子电池


来源:中国科学报   时间:2020-05-22 12:26:18


近日,中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳团队,研发出了一种基于不溶性有机负极材料的镁基双离子电池。相关成果发表于《能源存储材料》。该项目有望为发展新型镁离子电池电极材料及器件提供新的思路。

“镁离子电池具有高容量、储量丰富、成本低等优势,未来在储能领域具有良好的应用前景。”团队成员张帆告诉《中国科学报》。然而,镁作为一种良好的储能材料,如何真正将其运用到电池中却是个难题。

一方面,传统的有机碳酸酯类电解液会与镁负极发生钝化反应,产生一层致密的氧化物薄膜,阻碍镁离子通过,最终导致镁离子不能可逆沉积/溶解。另一方面,不同于锂离子可以轻松地在正负极材料之间快速运输,镁离子由于带电荷较多,进入脱出正极材料结构的速度慢,而且镁与正极材料的结合力度更强一些,脱出时有可能会导致正极材料坍塌,使得镁离子电池可逆充放电性能较差。

在正极材料上“出不去”,在负极材料上“进不来”,究竟如何解决镁离子的“通行证”,让镁离子真正发挥功效,实现低成本并具有良好的充放电效果? 研究团队决定,采用一种双离子反应来解决镁离子的问题。研究团队改变传统的研究思路,将正负极材料进行调整,研发出一种新型的镁基双离子电池。研究人员将含有镁盐的离子液体作为电解液,在正极端,使用膨胀石墨作为正极材料,而在负极端,他们决定采用一种不溶于电解液、具备良好储镁性能的有机小分子作为负极材料, 这改变了电极材料多以无机材料出现的传统。

这种镁基双离子电池的工作机理如下:充电时,电解液中的阴离子在正极材料中与石墨发生插层反应,而在负极端则是将电解液中的镁离子储存在有机小分子材料中;放电时则相反,电极材料中的阴阳离子再次回到电解液中。通过结合双离子反应的工作原理,很好地解决了传统镁离子在正极材料中反应慢且不可逆的问题,同时也提升了镁离子电池的输出电压。

该研究结果表明,这种镁基双离子电池具有优异的倍率性能和循环性能,高倍率充放电容量保持率为85%,在5C倍率下循环500次后的容量保持率为95.7%。该成果拓宽了新型镁离子电池电极材料的选择范围,团队未来将继续结合双离子工作机制,研发基于不同廉价金属元素的新型电池,为发展新型高性能低成本储能器件提供新的思路。

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