基於羰基聚合物正極的鎂–有機電池研究

《基於羰基聚合物正極的鎂–有機電池研究》是依託武漢大學，由宋智平擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於羰基聚合物正極的鎂–有機電池研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：宋智平
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

由於鎂是一種高容量、資源豐富和安全的負極，鎂電池被認為是極具希望的下一代高性能、廉價和可持續的儲能器件候選者。但是，因為面臨無機嵌鎂材料和兼容性電解液兩方面的巨大挑戰，當前鎂電池的性能仍與鋰離子電池相差甚遠。為了克服Mg2+在晶體結構中傳輸緩慢這一固有缺點，採用有機正極構築鎂–有機電池將是一種創新的解決方案。我們選擇羰基聚合物作鎂電池的正極，因為它們已經在鋰電池和鈉電池中展現出優異的電化學性能（包括高比容量、高循環穩定性和高倍率性能），並且羰基的氧化還原反應並不依賴陽離子的種類而發生。除了正極，有機電解液的選擇同樣重要。儘管經典的Mg(AlCl2BuEt)2/THF電解液被廣泛用於各種無機正極，它的親核性很可能與羰基正極的親電性並不相容，因此探索同時與鎂負極和羰基正極兼容的電解液十分必要。我們堅信，通過不斷最佳化羰基聚合物正極和與之匹配的電解液，新型鎂–有機電池的性能將超越傳統的各種鎂電池。

結題摘要

鎂–有機電池兼具鎂的高容量、低價格、安全性，以及有機正極材料的高性能和資源可持續性，是一類極具潛力的新型二次電池體系，最近幾年獲得了研究者越來越多的關注。根據羰基正極材料在鋰電池和鈉電池中表現出的優異電化學性能，以及氧化還原反應並不依賴陽離子種類的特性，它們有望在鎂電池中表現出遠超傳統無機儲鎂正極的性能。在此方面，我們主要做了三方面的工作：（1）以往的各種鎂電池電解液由於親核性、與鎂負極不兼容、電壓視窗過低等原因，難以滿足高電壓羰基正極材料的套用需求。因此我們開發了新型基於硼基鎂鹽Mg[B(OCHC2F6)4]2/醚類溶劑的非親核性電解液，不僅與鎂負極具有良好兼容性，實際電壓視窗也達到3.0 V以上，可以匹配絕大多數羰基正極材料。（2）我們發現某些羰基小分子材料如萘四甲酸二醯亞胺NTCDI和苝四甲酸二醯亞胺PTCDI具有超出預期的穩定晶體結構和不溶性，在鎂電池中可以實現穩定循環。通過溶劑混合法最佳化它們的顆粒尺寸以及與導電碳KB的混合，我們大幅改善了它們的反應動力學，獲得了較高的可逆比容量、循環穩定性和倍率性能。（3）基於聚苯醌硫醚PBQS的高能量密度，我們將其作為鎂電池的正極進行研究，並通過採用鎂/鈉混鹽電解液的方式，改善了反應動力學，使其容量利用率接近100%，能量密度遠超文獻報導的無機和有機正極材料。這些初步研究結果表明，有機正極的儲鎂性能大大優於傳統的無機正極，並且由於有機材料的結構多樣性仍有大幅的提升空間。儘管晶態的有機小分子和無定型的有機聚合物都仍然面臨與無機材料類似的Mg2+嵌入/脫出反應動力學慢的問題，我們在電解液最佳化、電極材料設計、電極工程等方面有更多的策略去克服這一難題，使鎂–有機電池的電化學性能不斷獲得突破，爭取實現真正的套用。