近日，我國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院唐永炳團(tuán)隊(duì)，研發(fā)出了一種基于不溶性有機(jī)負(fù)極材料的鎂基雙離子電池。相關(guān)成果發(fā)表于《能源存儲(chǔ)材料》。該項(xiàng)目有望為發(fā)展新型鎂離子電池電極材料及器件供應(yīng)新的思路。

“鎂離子電池具有高容量、儲(chǔ)量豐富、成本低等優(yōu)勢(shì)，未來(lái)在儲(chǔ)能領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景?！眻F(tuán)隊(duì)成員張帆告訴《我國(guó)科學(xué)報(bào)》。然而，鎂作為一種良好的儲(chǔ)能材料，如何真正將其運(yùn)用到電池中卻是個(gè)難題。

一方面，傳統(tǒng)的有機(jī)碳酸酯類電解液會(huì)與鎂負(fù)極發(fā)生鈍化反應(yīng)，出現(xiàn)一層致密的氧化物薄膜，阻礙鎂離子通過(guò)，最終導(dǎo)致鎂離子不能可逆沉積/溶解。另一方面，不同于鋰離子可以輕松地在正負(fù)極材料之間快速運(yùn)輸，鎂離子由于帶電荷較多，進(jìn)入脫出正極材料結(jié)構(gòu)的速度慢，而且鎂與正極材料的結(jié)合力度更強(qiáng)一些，脫出時(shí)有可能會(huì)導(dǎo)致正極材料坍塌，使得鎂離子電池可逆充放電性能較差。

在正極材料上“出不去”，在負(fù)極材料上“進(jìn)不來(lái)”，究竟如何解決鎂離子的“通行證”，讓鎂離子真正發(fā)揮功效，實(shí)現(xiàn)低成本并具有良好的充放電效果？研究團(tuán)隊(duì)決定，采用一種雙離子反應(yīng)來(lái)解決鎂離子的問(wèn)題。研究團(tuán)隊(duì)改變傳統(tǒng)的研究思路，將正負(fù)極材料進(jìn)行調(diào)整，研發(fā)出一種新型的鎂基雙離子電池。研究人員將含有鎂鹽的離子液體作為電解液，在正極端，使用膨脹石墨作為正極材料，而在負(fù)極端，他們決定采用一種不溶于電解液、具備良好儲(chǔ)鎂性能的有機(jī)小分子作為負(fù)極材料，這改變了電極材料多以無(wú)機(jī)材料出現(xiàn)的傳統(tǒng)。

這種鎂基雙離子電池的工作機(jī)理如下：充電時(shí)，電解液中的陰離子在正極材料中與石墨發(fā)生插層反應(yīng)，而在負(fù)極端則是將電解液中的鎂離子儲(chǔ)存在有機(jī)小分子材料中；放電時(shí)則相反，電極材料中的陰陽(yáng)離子再次回到電解液中。通過(guò)結(jié)合雙離子反應(yīng)的工作原理，很好地解決了傳統(tǒng)鎂離子在正極材料中反應(yīng)慢且不可逆的問(wèn)題，同時(shí)也提升了鎂離子電池的輸出電壓。

該研究結(jié)果表明，這種鎂基雙離子電池具有優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能，高倍率充放電容量保持率為85%，在5C倍率下循環(huán)500次后的容量保持率為95.7％。該成果拓寬了新型鎂離子電池電極材料的選擇范圍，團(tuán)隊(duì)未來(lái)將繼續(xù)結(jié)合雙離子工作機(jī)制，研發(fā)基于不同廉價(jià)金屬元素的新型電池，為發(fā)展新型高性能低成本儲(chǔ)能器件供應(yīng)新的思路。

我國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研發(fā)出新型鎂基雙離子電池