中國粉體網(wǎng)訊  可充鎂金屬電池作為后鋰離子電池時代最具競爭力的儲能體系之一，憑借其高比能、高安全和低成本等諸多優(yōu)點，正受到產(chǎn)學(xué)研界的日益關(guān)注。然而，鎂金屬電池的發(fā)展一直受限于兩大瓶頸問題：（1）缺乏同時兼顧鎂金屬負極與相應(yīng)正極需求的鎂電解質(zhì)體系；（2）缺乏性能優(yōu)異的儲鎂正極材料，因為二價鎂離子（Mg²⁺）具有較高的電荷密度，造成Mg²⁺在正極材料晶格內(nèi)部受到庫倫力作用的牽制而造成離子擴散速度緩慢，所以常見的嵌入型正極材料普遍表現(xiàn)出較差的可逆脫嵌Mg²⁺能力。

針對鎂電解質(zhì)方面的問題，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究員崔光磊帶領(lǐng)的仿生與固態(tài)能源系統(tǒng)研究組已經(jīng)開發(fā)出一系列硼基鎂電解質(zhì)體系，表現(xiàn)出優(yōu)異的可逆沉積溶解鎂性能和導(dǎo)Mg²⁺能力（Adv. Energy Mater., 2017, 1602055；Electrochem. Commun., 2017, 83, 72；Energy Environ. Sci., 2017, 10, 2616-2625；ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 28, 23757-23765；Advanced Materials, 2019, 31(11): 1805930）。針對儲鎂正極材料方面的問題，研究人員則重點關(guān)注具有高比容量特性的轉(zhuǎn)化型正極，基于前期自己開發(fā)的硼基鎂電解質(zhì)體系，研究組已開發(fā)了具有高能量密度的鎂-硫、鎂硒電池體系（Adv. Funct. Mater., 2017, 1701718；Energy Storage Materials, 2020, 26: 23-31），發(fā)現(xiàn)在硫、硒等正極中引入金屬銅能夠極大地提升正極側(cè)電化學(xué)反應(yīng)的速率和可逆性，分析其原因在于，金屬銅的存在促使了正極側(cè)銅硒化合物和銅硫化合物的生成，但關(guān)于銅硒化合物和銅硫化合物的具體儲鎂機理過程仍有待揭示。

最近，該研究組在國際期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》上發(fā)表了最新研究工作，發(fā)現(xiàn)在Cu₃Se₂這一銅硒化合物正極中，Cu⁺作為活性載流子能夠有效調(diào)控正極側(cè)的電化學(xué)鎂化/去鎂化過程。具體而言，Cu⁺在正極材料內(nèi)部與其界面處液相電解液間建立了快速、可逆的化學(xué)平衡，從而在正極側(cè)引入了Cu⁺/Cu氧化還原電對，而Cu⁺/Cu高度可逆的氧化還原反應(yīng)極大地降低了充放電過程中正極側(cè)的極化電壓并提升了比容量。通過Cu⁺的媒介作用，鎂電池正極反應(yīng)的可逆面容量可以提升至12.5 mAh cm^-2。值得一提的是，電極和電解質(zhì)之間的Cu⁺平衡也可能存在于其他銅硫化合物或銅硒化合物正極中，例如Cu₂S和Cu₂Se。這一電化學(xué)反應(yīng)機制的揭示將有助于一系列高比能儲鎂正極材料的開發(fā)研究。

上述工作得到國家重點研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項、國家自然科學(xué)基金委、中科院青促會、山東省重點研發(fā)計劃等的支持。

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）

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