研究人员开发出可与锂离子电池媲美的高功率镁电池新型阴极和电解质

休斯敦大学和北美丰田研究所(TRINA)的研究人员在《自然能源》杂志上报告说,他们已经开发出一种新的阴极和电解质,以证明一种镁电池能够在室温下工作,并提供可与锂离子电池相媲美的功率密度。

研究人员开发出可与锂离子电池媲美的高功率镁电池新型阴极和电解质

长期以来,镁电池一直被认为是锂离子电池的一种潜在的更安全,更便宜的替代品,但是以前的版本已经严重限制了其提供的功率。

在这里,我们报告涉及羰基还原(C=O↔C–O异构的烯醇化化学– ),它绕过解离和扩散的困难,可实现快速和可逆的氧化还原过程。这种动力学上有利的阴极与一个定制的、基于弱配位硼簇的电解质相结合,该电解质允许在20 mA cm -2的电流密度下进行无枝晶的Mg电镀/剥离。

这种结合提供了一种Mg电池,其比功率高达30.4 kW kg -1,比最先进的Mg电池高出近两个数量级。此处阐述的阴极和电解质化学物质推动了镁电池的发展,并将加速采用这种低成本,安全的电池技术。—Dong等。

镁离子的电荷量是锂的两倍,而离子半径相似。结果,镁在电解质中的解离及其在电极中的扩散(这是经典的嵌入阴极中发生的两个基本过程)在室温下缓慢,从而导致低功率性能。

解决这些挑战的一种方法是改善高温下的化学反应。另一种通过将镁阳离子以其复杂形式储存来解决了这些难题。两种方法都不可行。

休斯顿大学卡伦大学电气与计算机工程教授Yan Yao表示,开创性的成果来自有机醌阴极和一种新的基于硼簇的定制电解质溶液的结合。

我们展示了一种异质烯化氧化还原化学,以创建一种阴极,它不会受到离子解离和固态扩散挑战的阻碍,而这些挑战阻碍了镁电池在室温下的高效运行。这种新型氧化还原化学避开了固态互溶的需要,同时只储存镁,而不是其复杂的形式,创造了镁电池电极设计的新典范。-Yan Yao

Yao也是美国德克萨斯大学超导性中心(TcSUH)的首席研究员,是多价金属离子电池开发的领导者。他的小组最近在《自然能源》上发表了一篇有关改进多价电池路线图的评论文章。

TRINA研究人员在镁电池领域取得了巨大进步,包括开发基于硼簇阴离子的高度认可的高效电解质。然而,这些电解质在支持高电池循环速率方面具有局限性。

原则上基于这些弱配位阴离子的电解质可能具有支持非常高的循环速率的潜力,因此我们致力于调整其性能。为了解决这个问题,我们将注意力转向了溶剂,以减少其与镁离子的结合并改善整体传输动力学。

我们着迷的是,即使在超高循环速率下,改性电解质镀的镁仍然保持平稳。我们相信,这将揭开镁电池电化学新面貌。— RINA的材料研究部门首席科学家Rana Mohtadi

这项工作是2018年在Joule中描述的早期工作的延续。

除Yao和Mohtadi之外,其他合著者包括第一作者Hui Dong,他曾是Yao的实验室成员,现在是德克萨斯大学奥斯汀分校的博士后研究员以及TRINA的Oscar Tutusaus。UH和TcSUH的Liangyanliang和Ye Ye Zhang;劳伦斯伯克利国家实验室的Zachary Lebens-Higgins和Wanli Yang。Lebens-Higgins也隶属于宾汉姆顿大学。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

新电池比以前的镁电池达到的功率密度高将近两个数量级。电池能够以200%左右的容量保持率连续运行200多个周期,显示出很高的稳定性。我们可以通过调整具有增强的中间捕获能力的膜的特性来进一步提高循环稳定性。-第一作者 Hui Dong

参考文献

  • Dong,H.,Tutusaus,O.,Liang,Y.等。(2020)“通过异质烯化氧化还原化学和弱配位电解质实现的高功率镁电池。” Nat Energy doi:10.1038 / s41560-020-00734-0
  • 梁艳亮,董慧,Doron Aurbach和Yan Yao(2020)“多价金属离子电池的现状和未来方向” Nature Energy doi:10.1038 / s41560-020-0655-0

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