一颗镁基双离子电池扣式电池点亮29个并联的LED灯泡
近年来，锂离子电池已广泛应用于消费类电子设备、新能源汽车及储能等领域，小到电子手表、遥控器，大到电动汽车、通讯基站、航天航空等领域的大型储能设备，都需要使用到锂离子电池。由于锂离子电池的广泛使用，导致原本就非常匮乏的锂资源储量急剧下降，价格逐年攀升，难以满足未来社会对大规模储能的低成本要求。因此，发展高性能、低成本的储能电池极为重要。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳研究团队成功研发出了一种基于不溶性有机负极材料的镁基双离子电池。相关研究成果发表于Energy Storage Materials。该项目有望为发展新型镁离子电池电极材料及器件提供新思路。
镁很好，但如何用？
以锂电池为例，传统的锂离子电池中正极材料为含锂化合物，石墨作为负极材料，在充电的过程中，锂离子从正极材料中脱嵌出来，通过电解液传输进入到负极材料中，发生氧化还原反应；而在放电时，负极的锂离子则会脱离出来，通过电解液再次回到正极材料中。
这样的工作原理，同样也适用于镁离子电池。“镁离子电池具有高容量、储量丰富、成本低等优势，未来在储能领域具有良好的应用前景。”团队成员张帆博士告诉《中国科学报》。然而，镁虽然是一种良好的储能材料，如何真正将其运用到电池中，却是个难题。
“一方面，传统的有机碳酸酯类电解液会与镁负极发生钝化反应，产生一层致密的氧化物薄膜，阻碍镁离子通过，最终导致镁离子不能可逆沉积/溶解。传统适用于锂电池的电解液，在镁离子电池中并不适用。”张帆说，虽然目前一些格氏试剂类镁电电解液被研发出来，但制备条件苛刻，成本较高。
“另一方面，不同于锂离子可以轻松的在正负极材料之间快速运输，镁离子由于带电荷较多，进入脱出正极材料结构的速度慢，而且镁与正极材料的结合力度更强一些，脱出时有可能会导致正极材料坍塌，使得镁离子电池可逆充放电性能较差。”张帆说到。
镁离子的“通行证”
在正极材料上“出不去”，在负极材料上“进不来”，究竟如何解决镁离子的“通行证”，让镁离子真正发挥功效，达到低成本且具有良好的充放电效果？ 研究团队决定，采用一种双离子反应来解决这一问题。
在此之前，唐永炳团队在双离子电池的研发上已经具备了成熟的经验。研究团队决定改变传统的研究思路，将正负极的材料进行调整，研发了一种新型的镁基双离子电池。将含有镁盐的离子液体作为电解液，在正极端，使用膨胀石墨作为正极材料，而在负极端，研究人员决定采用一种不溶于电解液、且具备良好储镁性能的有机小分子作为负极材料， 这改变了电极材料多以无机材料出现的传统。
这种镁基双离子电池的工作机理是，充电时，电解液中的阴离子在正极材料中与石墨发生插层反应，而在负极端则是将电解液中的镁离子储存在有机小分子材料中；放电时则相反，电极材料中的阴阳离子再次回到电解液中。通过结合双离子反应的工作原理，很好地解决了传统镁离子在正极材料中反应慢、且不可逆的问题，同时也提升了镁离子电池的输出电压。
该团队的研究结果表明，这种镁基双离子电池具有优异的倍率性能和循环性能，20C的高倍率充放电容量保持率为85%，在5C倍率下循环500次后的容量保持率为95.7％。
该研究成果拓宽了新型镁离子电池电极材料的选择范围，团队未来将继续着眼于结合双离子工作机制研发基于不同廉价金属元素的新型电池，为发展新型高性能低成本储能器件提供新思路。（来源：中国科学报 刁雯蕙）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.04.025
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