Nature Energy：具有超高比功率的镁电池，比目前最佳性能还高出两个数量级!

【引言】

众所周知，具有高丰富度，高容量和无枝晶的镁电池一直是锂离子电池潜在的替代品，将极大提高电池的体积能量密度。然而，Mg²⁺阳离子的高离子电位使它在阴极中的扩散缓慢。同时还带来了电解质中强离子缔合的问题，导致溶剂分子或阴离子与Mg²⁺一起插入阴极。此外，金属Mg的有效利用受到电解质离子电导率低和沉积/剥离效率差的阻碍，特别是在高电流密度下使用。结果表明，镁电池具有较低的功率和能量性能。虽然之前一些研究报告了Mg电池具有通过储存MgCl⁺而不是Mg²⁺的快速动力学，但这往往是以牺牲能量密度和循环寿命为代价的。尽管到目前为止进行了许多努力，但最先进的镁电池仍然不能提供具有吸引力的性能。

近日，美国休斯敦大学姚彦教授和丰田北美研究所(TRINA) Rana Mohtadi教授（共同通讯作者）提出了一种双管齐下的策略，解决了一直以来镁电池实际功率密度较低的难题！比目前最佳性能还高出两个数量级。一方面，通过绕开常规Mg阴极难以解决的高固态扩散势垒难题，通过异相烯醇化氧化还原化学（不发生键断裂/重新形成），来实现快速的正极氧化还原动力学；另一方面，通过在醚类混合溶剂中使用由弱配位阴离子组成的电解质，改善电解液的离子导电率和Mg²⁺的脱溶。具体来讲，通过利用有机正极材料Pyrene-4,5,9,10-四酮（PTO）与改性的MMC电解质溶液，在独特的醚混合物中而具有高溶解度的改性MMC电解质溶液相结合。结果表明，这两种材料都表现出了优异的性能。相对于Mg²⁺/Mg，在2.1 V电压下测试的PTO比容量为315 mAh g⁻¹，还可以在20 mA cm^-2的电流密度下进行无枝晶的Mg沉积/剥离。此外，基于这种策略，研究人员最终所制备的高功率镁电池，其具有高达20 A g⁻¹的充放电功率，提供30.4 kW kg⁻¹的超高比功率，远超于目前最先进的镁电池（0.45 kW kg⁻¹）近两个数量级。相关研究成果以“High-power Mg batteries enabled by heterogeneous enolization redox chemistry and weakly coordinating electrolytes”为题发表在Nature Energy上。

【图文导读】

图一、提出的阴极异相烯醇化氧化还原化学

（a）具有MMC/G4的Mg-PTO电池在0.2C时的电压曲线；

（b）将PTO还原成Mg₁PTO和Mg₂PTO的示意图；

（c，d）0.5mM PTO和S₈的CV曲线；

（e）具有MMC/G4的Mg-PTO电池在0.2、1和5C时的倍率性能；

图二、非均相烯醇化氧化还原化学对循环稳定性和阳极可逆性

（a）薄(~2μm)和轻质(0.48 mg cm^-2)GO膜的Mg-PTO电池原理图；

（b）电流密度为0.2C时循环的Mg-PTO电池循环稳定性和库仑效率；

（c，d）在原始的MMC/G4电解液中，在分别含有Mg₁PTO 和MgS₈的情形下的电压分布。

图三、MMC/(DME-G2)电解液的设计过程及电化学性能

（a）在1:1(v/v)溶剂共混物中，MMC在0.3 mol kg^-1中的溶解度图；

（b）MMC在DME/G2混合物中的溶解度图；

（c）在25°C下，G4和DME/G2混合物中MMC溶液浓度和离子电导率的关系；

（d）MMC/(DME-G2)的CV曲线；

（e）在电流密度从0.5到50 mA cm^-2时，Mg|Cu不对称电池的极化曲线；

（f）在20 mA cm^-2的条件下，在Cu衬底上沉积Mg的横截面SEM图像；

（g）在20 mA cm^-2的条件下，Mg|Mg对称电池的电压曲线。

图四、Mg-PTO全电池在0.5 mol kg^-1 MMC/(DME-G2)电解液中的电化学行为

（a）使用CC-CV充电和CC放电模式，Mg-PTO电池在1至50C的条件下的电压曲线；

（b）在5C条件下循环的包含GO/GN的Mg-PTO电池的循环稳定性和库仑效率；

（c）与报道的最先进Mg金属电池的比较。

【小结】

综上所述，作者开发了一种高功率Mg电池，其特点是采用有机醌正极与基于硼团簇的弱配位电解质，非均相烯醇化氧化还原化学是快速储存Mg²⁺的关键，在混合溶剂中基于弱配位阴离子的电解质打开了高倍率和无枝晶Mg沉积的潜力。为今后更好的物理/化学性质和更好的循环稳定性打下了坚实的基础，同时本文的结果为开发高性能的镁电池正极材料和电解质溶液提供了方向，并揭示了使用高能量密度金属进行快速储能的可能性。

文献链接：“High-power Mg batteries enabled by heterogeneous enolization redox chemistry and weakly coordinating electrolytes”(Nature Energy，2020，10.1038/s41560-020-00734-0)

 （1）姚彦教授介绍；

美国休斯敦大学电子与计算机工程系讲席教授，英国皇家化学会会士，休斯敦大学能源存储微电网中心副主任和德州超导中心成员。曾获得海军青年科学家奖、科睿唯安“高被引科学家”、美国发明家家学院高级会员、工程学院讲席教授等奖励。课题组目前主要从事全固态电池、水系电池、多价离子电池等方面的研究。课题组网页: yaoyangroup.com

（2）团队在该领域工作汇总 

          多价态离子电池的现状和未来趋势 Nature Energy 2020, 5, 646–656

          控制储镁机制构建高能有机聚合物镁电池 Joule 2019, 3, 782-793

          储存镁氯离子的扩层二硫化钛电池 Nature Communications 2017, 8, 339

          高电压镁钠混合离子电池 Nano Energy 2017, 34, 188-194

          石墨烯修饰的氧化钒纳米线气凝胶镁电池正极材料 Nano Energy 2015, 18, 265-272

          扩层二硫化钼纳米复合材料镁电池Nano Lett. 2015, 15, 2194-2202

本文由材料人CYM编译供稿。