厦大AFM：Li/Mg双盐策略实现高性能镁金属电池

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-11-02 08:18

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镁金属由于其二价特性、高自然丰度和相对均匀的电沉积形态，作为新型金属阳极具有高体积能量密度、低成本和良好的安全性，展现出巨大的潜力。然而，由于二价Mg ²⁺ 离子具有高电荷密度和强静电相互作用的内在特性，导致在镁金属阳极/电解液界面上产生大的去溶剂化能垒和缓慢的扩散动力学，从而引起严重的阳极钝化效应，显示出超高的极化和极低的库仑效率。

在此， 厦门大学赵金保、曾静等人 提出了一种基于胺溶剂的Li/Mg双盐策略。即通过引入三氟化锂（LiOTf）作为多功能添加剂对代表性的MgCl ₂ -S ₂ 电解液进行优化。其中，LiOTf的加入在电解液中充分解离，提供了充足的阴离子和阳离子，显著提高了电解液的导电性，并降低了充放电过程中的过电位。同时，由于Li ⁺ 具有较低的表面电荷密度，其可加速正极侧的离子插入过程，从而增强了正极的兼容性，而不会在负极侧发生Li的共沉积。

此外，OTf ⁻ 阴离子的高还原稳定性有助于保持镁负极/界面的稳定性。基于此，Mg//不锈钢（SS）不对称电池在1.0 mA cm ⁻² 的电流密度下实现了超过2100个循环的超长循环寿命，并且平均库仑效率达到了99.8%。

图1. 作用机制

总之，该工作提出了一种基于胺溶剂的Li/Mg双盐电解液（MgCl ₂ -LiOTf-S ₂ 电解液），其实现了包括离子导电性、负极界面稳定性和正极兼容性在内的体相-界面-电极多尺度优化。其中，LiOTf盐可以在电解液中充分解离，提供足够的阴离子和阳离子，显著提高电解液的离子导电性，并在充放电循环中显著降低过电位。在正极侧，Li ⁺ 的低表面电荷密度可以加速离子插入以增强正极兼容性。

此外，OTf ⁻ 离子的高还原稳定性可以避免在镁金属负极/电解液界面发生阴离子键断裂和分解行为，确保了高氧化稳定性得以维持。基于此，Mg//MO6S8全电池即使在5 C倍率下能稳定运行1000次且具有良好的容量保持率约62.4%。

在直接暴露于空气30分钟的MgCl ₂ -LiOTf-S ₂ 电解液的电池仍然可以在5 C的倍率下运行200个循环，且库仑效率接近100%。因此，该项工作强调了多功能添加剂在提高基于胺的电解液与MMBs中负极和正极的兼容性中的重要功能。

图2. 电池性能

A Li/Mg Double-Salt Strategy Based on Amine Solvent Achieves Bulk Phase-Interface-Electrode Multi-Scale Optimization for Mg Metal Batteries, Advanced Functional Materials 2024 DOI: 10.1002/adfm.202414181

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