Advanced Science:新型同轴液驱流动聚焦技术制备微胶囊用于可充电镁电池

当前,锂离子电池已主导了便携式电子产品,电动汽车等的全球能源市场。然而,有限的锂资源增加了成本,金属锂枝晶的形成会导致一些安全隐患,这些问题都限制了锂离子电池的进一步发展,这激发了研究者对一些替代性储能系统的关注和兴趣。可充电镁离子电池因具有较高的理论容量(3833 mAh cm-3和2205 mAh g-1)、低电极电位(-2.36 V)、良好的安全性且不会形成枝晶、镁含量丰富(多104倍)引起了广泛关注,被认为是有前途的下一代储能系统。然而,目前镁电池仍存在一些挑战,镁离子在正极上的动力学嵌入和扩散缓慢从而导致容量和倍率性能不理想。因此需要具有稳定容量,良好电导率和快速离子传输的高性能正极。

在许多用于镁电池正极的改进方法中,将存储材料封装在导电和密闭环境中能够提高导电率从而使电化学性能提高,且不会影响活性材料的固有特性。但是,传统的制备方法如乳化法,喷雾干燥法、去模板法和层对层自组装等耗时长,设备和操作步骤复杂,对反应温度和pH值敏感,导致可控性和重复性差,封装效率及质量低。

上海交通大学李金金团队和安徽师范大学刘金云团队正对上述问题,提出一种新型同轴液驱流动聚焦技术制备尺寸分布均匀的新型MoS2微胶囊,并对其储镁能力进行了详细研究。电化学性能显示MoS2微胶囊具有较高的循环放电容量,倍率测试重复两次后性能也维持稳定,同时兼具较快的电子转移动力学。在低温-10℃和-5℃及高温45℃的突出容量显示其在极端条件下的适应性和实际应用潜力。优异的性能归因于胶囊碳壳,能够保护核心材料以防损失,并提高了电导率,这也由密度泛函理论计算在DOSs上得到了证明。与未包裹的纯MoS2纳米粒子相比,具有显著提高的储镁性能。

此外,利用液驱同轴流动聚焦技术生产MoS2胶囊过程中,可以实时动态调控微胶囊大小及囊壳、囊芯,只需调节三相(内相、外相、驱动相)流体的流速即可,无需中途停止反应。增大内、外相的流速,胶囊尺寸变大;增大驱动相的流速,胶囊尺寸变小。调节内、外两相的流速比例,不但可以控制囊壳的厚度及囊芯的负载量,也能够批量生产指定载荷及质量的微胶囊。研究发现,当胶囊封装MoS2纳米粒子达到最大负载时,具有显著的循环容量。

该研究工作中提出的基于同轴液驱流动聚焦技术实现了对微胶囊尺寸、形貌和负载的实时调控和批量生长,为制备高导电的微胶囊正极材料提供了技术保障。其优异的电化学性能有望促进其他新兴储能材料和高性能二次电池系统的发展。相关论文在线发表在Advanced Science(https://doi.org/10.1002/advs.202002298)上。