隨著電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在社會(huì)中的快速發(fā)展和應(yīng)用，需要開(kāi)發(fā)集高能量、高功率和低成本為一體的新一代電池。在許多鋰離子后電池中，利用二價(jià)Mg2+作為電荷載體的可充電鎂電池有望在體積能量密度和電池的成本方面提供實(shí)質(zhì)性的改善，因?yàn)槭褂昧说厍蛏县S富的、高容量和更安全的無(wú)枝晶金屬陽(yáng)極鎂。然而，功率密度一直是這項(xiàng)技術(shù)的阿喀琉斯之踵。
這一挑戰(zhàn)的根本原因是二價(jià)Mg2+離子的固有特性:它擁有鋰離子兩倍的電量，而具有于鋰離子相似的離子半徑。因此，經(jīng)典插層化學(xué)中的兩個(gè)基本過(guò)程，離子離解與固態(tài)離子擴(kuò)散，在室溫下是緩慢的。即使是最先進(jìn)的插層陰極材料，如Mo6S8，也需要更高的溫度才能達(dá)到其理論容量。其他陰極材料在室溫下表現(xiàn)出快速的動(dòng)力學(xué)，尤其是有機(jī)聚合物和層狀化合物，但實(shí)際上被發(fā)現(xiàn)可以存儲(chǔ)部分復(fù)雜的離子，如MgCl+和溶劑化離子。
休斯敦大學(xué)姚彥和豐田北美研究所Rana Mohtadi?在Nature Energy上發(fā)表文章“High-power Mg batteries enabled by heterogeneous enolization redox chemistry and weakly coordinating electrolytes”，報(bào)告了一種涉及羰基還原(C=O→C-O?)的異構(gòu)烯醇化化學(xué)，它繞過(guò)了解離和擴(kuò)散的困難，實(shí)現(xiàn)了快速、可逆的氧化還原過(guò)程。這種動(dòng)力學(xué)占優(yōu)的陰極與調(diào)節(jié)的、弱配位作用的硼團(tuán)簇電解質(zhì)相結(jié)合，可以在20 mA cm-2的電流密度下進(jìn)行無(wú)枝晶的鎂電鍍/剝離。該組合提供的Mg電池提供的比功率高達(dá)30.4 kW kg?1，幾乎比最先進(jìn)的鎂電池高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
本文所闡明的陰極和電解液化學(xué)現(xiàn)象，推動(dòng)了鎂電池的發(fā)展，并將加速這一低成本、安全的電池技術(shù)的應(yīng)用。
圖1. 提出的陰極異相烯醇化氧化還原化學(xué)，反應(yīng)過(guò)程和電化學(xué)曲線
圖2. 非均相烯醇化氧化還原化學(xué)對(duì)循環(huán)穩(wěn)定性和陽(yáng)極可逆性
圖3. MMC/(DME-G2)電解液的設(shè)計(jì)過(guò)程及電化學(xué)性能
圖4. Mg-PTO全電池在0.5 mol kg-1MMC / (DME-G2)電解液中的電化學(xué)行為
High-power Mg batteries enabled by heterogeneous enolization redox chemistry and weakly coordinating electrolytes. Nat Energy (2020). https://doi.org/10.1038/s41560-020-00734-0
https://www.nature.com/articles/s41560-020-00734-0
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