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鋰鎂雙鹽電解質(zhì)激活、基于納米結(jié)構(gòu)玫瑰紅酸鹽的大容量有機(jī)鎂電池

　　以智能電網(wǎng)為代表的大規(guī)模儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用對(duì)儲(chǔ)能電池的循環(huán)壽命、功率密度、成本、安全性等提出了更高的要求。室溫二次鎂基電池是一類(lèi)以金屬鎂為負(fù)極的電化學(xué)儲(chǔ)能體系，具有負(fù)極地殼儲(chǔ)量豐富、成本低（金屬鎂的價(jià)格不足金屬鋰價(jià)格的5%）、體積比容量大（3833 mAh/cm3）、電化學(xué)循環(huán)過(guò)程中無(wú)枝晶生成等優(yōu)勢(shì)，且鎂離子的理論還原電位只比鋰離子高出0.6V左右，只要采用適配的正極結(jié)構(gòu)框架，鎂基電池仍可維持與鋰離子電池相當(dāng)?shù)哪芰棵芏�。而且，穩(wěn)定的鎂離子可逆沉積/剝離有助于抑制負(fù)極端體積膨脹、減少電解液消耗，顯著改善鎂基電池的循環(huán)壽命和功率密度。因此，鎂基電池可在不犧牲能量密度的前提下，滿(mǎn)足下一代儲(chǔ)能體系的指標(biāo)要求。

 

　　然而，緩慢的鎂離子晶格內(nèi)遷移和無(wú)機(jī)框架的低理論容量等缺點(diǎn)仍限制著鎂電池的廣泛應(yīng)用。鋰鎂雙鹽電解質(zhì)體系通過(guò)占主導(dǎo)的鋰離子（代替鎂離子）嵌入正極晶格可實(shí)現(xiàn)正極端動(dòng)力學(xué)的激活，同時(shí)不犧牲鎂金屬負(fù)極端循環(huán)過(guò)程的穩(wěn)定性，避開(kāi)了鎂離子動(dòng)力學(xué)性能差的缺點(diǎn)，極大拓展了鎂電池正極材料的選擇范圍。近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)提出一類(lèi)雙鹽電解質(zhì)激活的多電子反應(yīng)的有機(jī)鎂電池，其正極采用綠色可再生的玫瑰紅酸鹽（如Na2C6O6）。相關(guān)成果發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)旗下刊物ACS Nano上（DOI: 10.1021/acsnano.7b09177）。

 

　　納米結(jié)構(gòu)的有機(jī)體系以高密度羰基(C=O)作為氧化還原反應(yīng)位，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)350-400 mAh/g的可逆容量（三電子轉(zhuǎn)移），通過(guò)還原氧化石墨烯（RGO）配線可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高倍率的電化學(xué)性能，其在2.5 A/g (5 C) 和 5 A/g (10 C)電流密度下的容量仍可分別維持在200 和175 mAh/g，高倍率性能也受益于大電流和長(zhǎng)循環(huán)條件下鎂負(fù)極仍無(wú)枝晶形成。這一優(yōu)異性能受益于鋰在Na2C6O6中的高本征擴(kuò)散系數(shù)(10-12-10-11cm2/s)和大于60%的贗電容貢獻(xiàn)，更牢固的非鋰釘扎效應(yīng)（通過(guò)Na-O-C 和Mg-O-C實(shí)現(xiàn)）可抑制晶粒中C6O6層的剝落，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)至少600次的充放電循環(huán)。這一有機(jī)鎂電池的正極活性物質(zhì)的能量密度可超過(guò)500 Wh/kg，可容忍超過(guò)4000 W/kg的功率密度，這一性能超過(guò)了基于無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)的高電位嵌入正極材料的水平。

 

　　該團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于鎂基電池動(dòng)力學(xué)改善策略的研究，前期已開(kāi)發(fā)出陰離子嵌入激活、反應(yīng)中心外露的鎂氟化石墨烯電池（Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 6519–6526），開(kāi)發(fā)出基于大容量多硫化物轉(zhuǎn)換反應(yīng)的雙鹽鎂基電池（AdvFunct Mater. 2015, 25, 7300-7308），提出了大倍率、長(zhǎng)循環(huán)Mg-S 電池的實(shí)現(xiàn)途徑（Adv Mater. 2018, 30, 1704166）。

 

　　該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院百人計(jì)劃和上海千人計(jì)劃等項(xiàng)目的資助和支持。