中國儲能網(wǎng)訊：探索新型低成本、高能量密度、高安全性的非鋰儲能電池是電池領(lǐng)域的研究熱點前沿。其中可充電鎂（Mg）、鈣（Ca）金屬電池的雙電子轉(zhuǎn)移會帶來更大的比容量，此外Mg和Ca金屬均具有低還原電位，并減少了金屬負極潛在的枝晶沉積等安全問題，被認為是鋰離子電池良好的替代品。然而由于緩慢的電荷動力學(xué)過程和更強的靜電相互作用，使得過電位增加、電解質(zhì)分解以及二價金屬離子不可逆嵌入正極材料等問題，限制了二價金屬電池性能，上述問題亟需解決。
馬里蘭大學(xué)Chunsheng Wang教授課題組牽頭的聯(lián)合研究團隊利用甲氧基乙胺螯合劑來調(diào)控二價金屬離子的溶劑化結(jié)構(gòu)，顯著改善了離子的動力學(xué)過程，實現(xiàn)快速電荷轉(zhuǎn)移，使得Mg2+、Ca2+能夠快速在層狀氧化物正極材料中嵌入和脫嵌，實現(xiàn)了高度可逆的離子嵌入和脫嵌，增強了電池性能和循環(huán)穩(wěn)定性，以Mg和Ca為負極的電池均獲得了與鋰電池相當?shù)谋饶芰棵芏?，分別為412 Wh/kg和471Wh/kg可逆放電比容量。為開發(fā)設(shè)計高性能低成本的非鋰可充電電池開辟了新技術(shù)路徑。相關(guān)研究表明，以Mg、Ca為代表的二價金屬電池廣泛存在可逆性不佳和電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)緩慢問題。為此研究人員在固態(tài)電池電解質(zhì)中引入了甲氧基乙胺螯合劑[–(CH2OCH2CH2N)n–]，以增強導(dǎo)電離子的去溶劑化作用，旨在改善上述不利問題。研究人員首先將甲氧基乙胺螯合劑電解質(zhì)、Mg金屬負極和氧化物層狀正極組裝成完整的電池器件，并開展了電化學(xué)性能測試。在2-3.3 V之間、0.5C倍率下（1C=200 mA/g），Mg金屬電池獲得了412 Wh/kg比容量，且可以穩(wěn)定循環(huán)200余次，上述結(jié)果表明了電池具備良好的可逆性。為了探究電池性能改善的潛在機制，研究人員對電池進行了一系列的微觀表征，實驗顯示螯合劑引入后，通過溶劑化鞘重組繞過了能量不利的去溶劑化過程，極大地促進了電解質(zhì)膜界面電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)，實現(xiàn)了Mg2+在層狀氧化物電極中的快速嵌入和脫嵌，并抑制了正極和金屬負極上的副反應(yīng)，從而增強了電池性能和循環(huán)穩(wěn)定性。而為了進一步探索該方法的普適性，研究人員又基于上述含有螯合劑的電解質(zhì)制備了Ca金屬電池，同樣獲得了優(yōu)異電化學(xué)性能，可逆比容量達到了471 Wh/kg。表明了上述方法的確具備良好的普適性，可以應(yīng)用于其他金屬電池研究開發(fā)中。
圖1 引入螯合劑溶劑化鞘重組過程
該項研究通過在電解質(zhì)中引入甲氧基乙胺螯合劑，實現(xiàn)了對二價金屬離子溶劑化過程的優(yōu)化調(diào)控，顯著改善了電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)并實現(xiàn)了離子在層狀氧化物正極薄膜中可逆的嵌入和脫嵌，進而增強了鎂、鈣金屬電池放電比容量和循環(huán)穩(wěn)定性，且實驗方法具備良好的普適性，為開發(fā)高性能低成本的非鋰儲能電池開辟了新技術(shù)路徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Science》。
