中科院上海硅酸鹽所研發(fā)新技術(shù)顯著提高鎂硫電池的倍率和循環(huán)性能

高倍率、長壽命鎂硫(Mg-S)電池體系:受益于金屬有機(jī)框架(MOF)衍生碳載體和鋰鹽調(diào)節(jié)劑

電動汽車和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域?qū)﹄姵啬芰棵芏?、安全性要求不斷提?發(fā)展低成本、高能量密度、安全的新型二次電池愈發(fā)迫切。在諸多新型電池體系中,鎂電池由于負(fù)極體積比容量高(3833mAh/cm3)、資源豐富、在沉積/剝離中不易形成枝晶等優(yōu)點,受到廣泛關(guān)注。但鎂離子體積小、電荷密度大、極化作用強(qiáng)等特點,極大限制了可供二價鎂離子可逆脫嵌的正極材料選擇。由于缺乏高電位的正極結(jié)構(gòu)和電解液配方原型,通過發(fā)展高電位的嵌入型鎂電池研究進(jìn)展緩慢。此外,還有一種可行的路徑是構(gòu)筑適中電位的基于大容量轉(zhuǎn)換反應(yīng)的鎂基電池體系,如Mg-S電池(理論能量密度高達(dá)1722Wh/kg),但Li-S電池中的成功策略無法簡單復(fù)制到Mg-S體系中,已報道的鎂硫電池電位極化、倍率和循環(huán)性能仍然較差。

為了避免二價鎂離子緩慢晶格內(nèi)遷移的問題,中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟團(tuán)隊在前期工作中已開發(fā)了鋰驅(qū)動多硫化物正極轉(zhuǎn)換反應(yīng)的大容量雙鹽鎂基電池(Adv.Funct.Mater.2015,25),同時提出了陰離子嵌入激活、反應(yīng)中心外露的鎂基電池體系(Adv.Funct.Mater.2015,25)。近日,該團(tuán)隊在動力學(xué)改善的鎂硫電池研究中取得重要進(jìn)展。研究人員選擇金屬有機(jī)框架化合物ZIF67為前驅(qū)體,制備了一種Co、N異質(zhì)原子共摻雜的分級多孔碳作為硫宿主材料,實現(xiàn)了鎂硫電池的倍率和循環(huán)性能的顯著升級。在1C倍率下,該鎂硫電池表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性,首次放電容量可達(dá)600mAh/g,200次循環(huán)后容量仍保持在400mAh/g左右。在更高的5C倍率下,電池仍然具有300-400mAh/g的可逆容量。

為繼續(xù)提升電化學(xué)性能,研究人員采用還原氧化石墨烯修飾的隔膜來優(yōu)化電池構(gòu)架,進(jìn)一步限制了多硫化物的穿梭,電池在0.1C電流密度下可運行250次循環(huán)以上,顯著提高了鎂硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性。鎂硫電池優(yōu)異的電化學(xué)性能受益于多重因素的協(xié)同作用,如異質(zhì)摻雜有利于鎂硫電池在充放電過程中多硫化物的吸附和催化分解,在非親核性鎂電解液中添加鋰鹽和氯離子有利于抑制鎂負(fù)極表面鈍化和提高電解液活性,充放電模式調(diào)節(jié)和隔膜修飾有利于緩減和控制多硫化物的損失,抑制其穿梭效應(yīng)。