Advanced Materials:层结构调控和高相容性电解液助力高比能镁电池正极材料

可充电镁电池因其丰富的镁资源和金属镁负极的高体积比容量、高熔点以及不易产生枝晶等优点,有望成为高比能、高安全性的下一代电池体系。然而,多价镁离子与正极材料中阴离子之间的强库仑作用、电极/电解质相容性差等问题阻碍了镁电池的发展。与大多数过渡金属氧化物和聚阴离子化合物中镁离子和氧阴离子的强相互作用相比,相对较弱的镁-硫或镁-硒键可以促进镁离子的迁移和更快的反应动力学。硫化铜(CuS)材料由于其低成本、易制备、高理论容量(560 mAh/g)和高电导率,在锂、钠离子电池中有着较好的发展潜力。然而,在现有报导的Mg2+和Al3+等多价离子电池体系中,其可逆容量有限、循环稳定性较差,与理论容量相差较远。

南京工业大学材料学院赵相玉研究员课题组以具有高理论容量的CuS正极材料为研究对象,针对其可逆容量低、反应产物易脱溶等问题,一方面通过卤化物插层增大CuS正极材料的层间距,插入的客体材料有利于扩大Mg2+扩散通道,在长循环中稳定电极材料的结构,并降低Mg2+与主体晶格阴离子之间的库仑作用;另一方面采用氟化硼酸盐基镁离子电解液,提高了正极材料与电解液之间的稳定电化学窗口,解决了正极/电解质的相容性问题。从而获得了具有突出储镁能力的CuS正极(在50 mA/g的电流密度下放电比容量达477 mAh/g,对应着415 Wh/kg的质量能量密度),显著高于现有报道的金属氧化物、金属硫族化合物及聚阴离子化合物等镁电池正极。而且,在1 C的高倍率下经过1000圈的深度循环后该正极仍表现出优异的可逆稳定性。

该工作为发展高性能可充镁离子电池及其它多价离子电池正极材料提供了新的思路。研究结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201905524)上,论文第一作者为硕士生沈寅麟。相关研究得到了国家自然科学基金、江苏高校优势学科建设工程、江苏先进无机功能复合材料协同创新中心和江苏高校青蓝工程的资助。