具有优异倍率性能和循环性能的镁锂双离子电池

Untitled镁离子电池近年来正引起越来越多关注。与锂离子电池相比,镁能提供双电子,且在空气中稳定,最重要的是,镁离子在基于格兰试剂的电解质中沉积高度可逆且无枝晶生成。这些优势使得镁成为镁离子电池中安全高容量的负极。然而,镁离子的高电荷半径比使得其在嵌入式电极中的固相扩散非常缓慢,从而导致镁离子正极容量低,极化大且不稳定。唯一的例外是Chevrel Phase,但是这一材料的低电压(1.1V)和低容量(128mAh/g)极大制约了镁离子电池领域的发展。马里兰大学王春生教授团队提出了一个替代方法,即将成熟的锂离子电池正极与镁金属耦合在双离子电解质中,这一丹尼尔电池既能利用锂电正极的高容量及电压,又能利用镁金属的无枝晶和高容量。相关结果发表在Advanced Energy Material上。

由于基于格兰试剂的镁电解质对其所处的化学环境极为敏感,该团队选择了LiCl作为镁电解质中的锂源,添加了LiCl后的电解质既表现出了可逆的镁沉积/溶解,又可同时电离出镁离子和锂离子。对于正极,商业化的锂离子电池正极(包括磷酸铁锂或层状锂钴氧等),虽然技术成熟,但其电压均超过了镁电池电解质的稳定窗口,且容量低。经过大量探索,该团队选择了层状二硫化钛作为嵌锂正极,因为其与电解质兼容,有超过Chevrel Phase的电压(1.0-1.6V),且具有较高的容量(240mAh/g)。实验证实,在这一双离子电解质中,正极二硫化钛能可逆地嵌锂及脱锂,而镁离子不参与反应;而在负极只有镁离子的沉积和溶解,且沉积为微米级鳞片状的二维结构,没有任何一维枝晶生成。与已经报道的镁离子电池相比,该全电池具有最好的循环稳定性(至少400周期容量稳定)和倍率性能;与使用Chevrel Phase正极的镁离子电池相比,该全电池的比容量和比能量,即使考虑加入的锂盐的质量,也分别高出32.2%和56.2%。

 

致力于有效利用安全且高容量的镁负极,该镁锂双离子电池,绕开了镁离子嵌入正极存在的瓶颈,成功地提高了基于镁金属的电池的容量和电压。值得一提的是,随着镁电解质窗口的提高,这一概念还可以推广到更高电压的锂电正极中,例如锂钴氧,届时该全电池的比能量可达到385.2Wh/kg,赶上主流锂电全电池的比容量(400Wh/kg),更不用说该电池由于使用金属镁作负极而带来的与锂电相比的优点:省去了负极的无效质量(集流体,粘接剂及导电剂),避免了首周伴随SEI生成的不可逆容量。

 

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