科研进展 | 高比能水系镁离子杂化全电池设计

2020-12-11
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地壳中镁资源丰富,如用以构建水系镁离子电池,可潜在解决储能技术面临的安全和成本双重问题。通常水系镁离子电池主要由嵌入型正极(如锰氧化物等)、负极(如FeVO4等)及常规水系电解液构成,大多只能在2 V以下稳定操作。当前水系镁电池普遍存在电压平台低(<1.00 V)、比容量不够高(70-100 mA h g-1)的缺陷。究其原因:一是水系电解液不能支持较高的操作电压,导致金属离子插脱嵌电化学过程不够充分,电池容量不能充分实现;二是二价镁离子在嵌入型电极材料中迁移能垒较大,导致电池容易出现严重的电压滞后问题。基于新型电解液及稳定的电极材料,构建可在更高电压下操作的储能器件,并阐明其电化学机制,是解决缺陷问题的重要途径。

近日,松山湖材料实验室柔性电池团队采用强化嵌电位互补杂离子插脱嵌过程的策略,取得了兼具高比容量及高电压平台的Mg2+/Na+杂化电池。该研究将从未报道过的Mg1.5VCr(PO4)3(MVCP)正极与FeVO4(FVO)负极匹配,在合理设计的新型水系/有机杂化电解液中实现了稳定的高电压操作。操作强化了杂离子的共插脱嵌过程,显著提高了电池可逆容量(0.5 Ag-1下,达到了233.4 mAhg-1,为常规水系电解液中的1.75倍以上)。同时,电化学过程中Na+具有较高的插脱嵌电位,有效补偿了Mg2+插脱嵌电位低的缺陷,将全电池的放电平台协同提升至1.50 V左右。在1 Ag-1的电流密度下循环1350次后,单个循环的容量衰减仅为0.018%,并保持了明显的电压平台。机理研究表明,FVO在初始循环中发生相转变,MVCP表现出低晶格应变赝电容插脱嵌的电化学特征。这一策略有望促进其他高比能水系杂化电池,如多价态Ca2+/Al3+与单价态Li+/K+/H+等的杂化体系的研究开发。

图1 全电池在不同电解液中的电化学性能

(a-b)不同电解液中的CV曲线及充放电曲线;

(c)不同电解液中操作电压与比容量的关系;

(d-e)倍率及长循环性能;

(f)不同循环次数下的充放电曲线;

(g)电压平台比较;

(h)能量密度和功率密度比较;

(i-j)杂离子共嵌入对比容量和电压平台的影响。

图2 全电池动力学及机理分析

(a)全电池在不同扫速下的赝电容贡献;

(b)基于GITT放电曲线计算杂化及有机(AN)电解液中离子扩散系数;

(c)不同电解液中全电池的阻抗图;

(d-e)循环前后全电池中MVCP和FVO的XRD图谱;

(f)对应于机理研究的全电池充放电曲线;

(g-h)在相应充放电电压下MVCP和FVO的XRD图谱;

(i)MVCP放电至0.01V的HR-TEM图像;

(j)MVCP放电至0.01V的in-depth XPS研究;

(k)FVO充电到2.30V的HR-TEM图像;

相关研究成果以“High-Energy Aqueous Magnesium Hybrid Full Batteries Enabled by Carrier-Hosting Potential Compensation”为题发表在化学领域顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。松山湖材料实验室博士后唐永超和李学进为第一作者,松山湖材料实验室李洪飞副研究员和松山湖材料实验室/香港城市大学支春义教授为通讯作者。此项工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目的大力支持。

文章详情:/uploads/科研进展/20201211/High-Energy Aqueous Magnesium Hybrid Full Batteries Enabled by Carrier-Hosting Potential Compensation.pdf

撰稿:柔性电池团队、科研项目管理部