Advanced Energy Materials:可充电镁电池关键材料面临的挑战及最新进展

随着人类对能源需求的逐渐增加,传统能源在储量、环境污染、能源效率、成本等方面的限制日益突出。因此,寻找替代新能源、研究和利用新能源已成为世界各国共同的主题,也是未来能源发展的必然趋势。其中可再生能源被认为是解决环境问题,尤其是减少碳排放的一个有效途径,它也是未来人类能源需求最重要的潜在解决方案之一。特别地,电池储能是可再生能源大规模发展的关键。近年来,随着锂电池储能技术在电动汽车、储能电站、手机、笔记本电脑等领域的广泛应用,人们意识到大规模储能的重要性。此外,一些化学性质类似于锂的金属元素,如钠(Na),钾(K),镁(Mg),钙(Ca),锌(Zn)等被证实可用于电池储能。其中,可充电镁电池(RMBs)被认为是继锂离子电池(LIBs)之后的又一新兴的电池,这是因为:1、镁的理论容量高达3833 mAh cm-3(锂的理论容量为2046 mAh cm-3),还原电位低(-2.37 vs SHE)。2、地壳中镁含量丰富,其值(2.9%)约为Li(0.002%)的104倍,直接降低了RMBs的生产成本。更重要的是,与锂负极相比,镁负极在循环过程中不产生枝晶,更安全,并在许多电解质中能够实现高度可逆的沉积/剥离。因此,RMBs有望成为潜在的大规模电池储能系统之一。

北京科技大学范丽珍教授团队以现有RMBs电极材料的容量与电压的关系为参考,综述了近年来国内外对RMBs关键材料的研究进展。根据反应机理,对插层型正极和转换型正极等正极材料进行了详细的分类和介绍,阐明了结构对Mg2+离子迁移动力学的影响,对Mg负极材料的改性和界面问题进行了详细概述,分析了各类电解质材料的优势与不足,并简要阐述和讨论了该领域的主要机遇和挑战。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202000787)上。

可充电镁电池目前已经成为新型储能研究领域崛起的一大新星,发掘多种类的电极材料、优化电解质体系是推进镁可充电镁电池性能研究的关键。现阶段对可充电镁电池关键材料的研究取得了一定程度的进展,但还需要进一步完善。今后的研究主要集中在以下4个方面:1) 合理设计正极材料的结构,减小Mg2+在其中的极化作用;2) 对镁负极进行优化改性,尽可能地减少或消除钝化膜,促进Mg2+的快速传输;3) 构建能够实现镁的可逆沉积/溶解而不腐蚀集流体的电解质材料,增强电极与电解质间的界面稳定性;4) 深入探究电极材料的储镁机理、理解及预防失效机制。通过合理的设计材料的结构、优化电极/电解质体系,最终实现高容量、长寿命、高安全可充镁电池的构建,进而推动其在商业化大规模储能领域的广泛应用。本综述为高能量密度可充电镁电池的发展提供了有价值的指导思想。     研究者相信未来通过对储镁正极材料进行合理的设计、对实现高度可逆的电化学镁沉积/剥离电解质进行开发,以及对电解质-负极界面进行改性,不断探索和发掘新理论、新材料、新策略和新电池体系,使可充电镁电池的研究在不久的将来取得重大突破,探索出它的实际应用道路,造福社会。