憑借鎂金屬的高體積比容量、高安全性、高自然豐度以及低成本等諸多優(yōu)勢，鎂金屬二次電池受到的關(guān)注日益增多，成為“后鋰離子電池”時期極具發(fā)展?jié)摿Φ碾姵伢w系之一。中國是全球最大的鎂資源及鎂加工產(chǎn)品的生產(chǎn)國和出口國，因此，我國發(fā)展鎂電池具有得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。然而，鎂金屬二次電池的發(fā)展尚處于初期階段，還有諸多技術(shù)瓶頸亟待克服。
中科院青島生物能源與過程研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心圍繞鎂電池中的關(guān)鍵科學(xué)問題，開展了大量富有影響力的研究工作，近期在國際權(quán)威期刊Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials和Advanced Energy Materials上相繼發(fā)表了系列重要研究進(jìn)展。
針對目前爭議較多的鎂金屬負(fù)極是否存在枝晶問題，研究團(tuán)隊(duì)通過多種手段證明，在與鎂金屬負(fù)極兼容性較好的含氯鎂電解液中，在實(shí)用化的電流密度和面容量條件下（≤ 5 mA cm-2，> 4 mA h cm-2），在不做任何集流體修飾的前提下，鎂金屬沉積物依舊非常地均勻且致密，充分體現(xiàn)了鎂金屬負(fù)極的獨(dú)特優(yōu)勢。但是在0.1-1 mA cm-2的適中電流密度范圍內(nèi)，鎂金屬負(fù)極的不均勻溶出行為造成其表面出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕坑，進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)循環(huán)過程中的鎂金屬沉積不均勻，最終造成鎂金屬負(fù)極的過早失效或內(nèi)短路問題。
更有趣的是，在含氯鎂電解液體系中，這種不均勻溶出行為與施加電流大小存在密切的聯(lián)系。通過多種原位譜學(xué)表征證明，施加電流大小直接影響了電化學(xué)反應(yīng)界面處的含氯物種分布，進(jìn)而引發(fā)了不同的鎂溶出行為。這項(xiàng)研究將會引起大家對各種金屬負(fù)極溶出行為的重點(diǎn)關(guān)注，并啟發(fā)研究人員們，綜合考慮金屬負(fù)極的沉積-溶解過程才能判斷其真正的實(shí)用性。
研究團(tuán)隊(duì)早期開發(fā)了大量銅硫化合物和銅硒化合物儲鎂正極材料，但對于其電荷存儲機(jī)制認(rèn)識不足。近期，團(tuán)隊(duì)以Cu2-xSe為模型材料，充分闡明了該類材料中的特殊陰離子補(bǔ)償機(jī)制。與先前被廣泛報道的Cu2+—Cu+—Cu0分步置換反應(yīng)機(jī)理不同，該工作證明了該類材料中普遍存在的兩個放電平臺分別對應(yīng)于：Cu2-xSe與Cu2Se的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，以及Cu2Se與Mg2+的置換反應(yīng)。
在Cu2-xSe與Cu2Se的轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程中，可溶性多硒化物介導(dǎo)的Sen2-/Se2-陰離子氧化還原過程有利于正極側(cè)的電荷存儲，但是伴隨而來的多硒化物溶解-穿梭會導(dǎo)致電池性能下降。因此，研究團(tuán)隊(duì)又通過在Cu2-xSe正極中引入Mo6S8，制備得到的嵌入-轉(zhuǎn)化型復(fù)合正極能夠有效固定正極側(cè)的多硒化物，顯著提高了電化學(xué)性能。
具體而言，在100 mA g-1的電流密度下，可逆比容量從140 mAh g-1提高到220 mAh g-1，而且倍率性能和長循環(huán)穩(wěn)定性也有大幅提升。這項(xiàng)工作為硫族轉(zhuǎn)化型正極的研究提供了全新認(rèn)識，對新型高能儲鎂正極的開發(fā)具有重要意義。易諾科技認(rèn)為鎂金屬元素的提煉和開發(fā)，可借助手持式合金分析儀來提高工作效率，不管是鎂合金分揀，還是確認(rèn)未知材料中，是否含有鎂元素，手持式合金分析儀都能很好的幫助用戶進(jìn)行辨別——手持式合金分析儀具有哪些優(yōu)秀特性？
為了充分發(fā)揮鎂金屬電池的高安全特性，進(jìn)一步拓展其在高溫特種電源方面的應(yīng)用場景，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種具有自支撐特性的單離子導(dǎo)體聚合物基鎂電解質(zhì)，表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合電化學(xué)性能。利用該聚合物電解質(zhì)組裝的鎂金屬二次電池能夠在150 ℃高溫條件下正常運(yùn)行，為地下資源勘探、火星探測等高溫特種電源領(lǐng)域提供了技術(shù)儲備。
目前，研究團(tuán)隊(duì)已在鎂金屬二次電池領(lǐng)域發(fā)表高影響力SCI論文三十余篇，致力于打造鎂電池，尤其是高性能固態(tài)鎂電池領(lǐng)域的原始創(chuàng)新策源地，并且已成長為國際上具有較高顯示度的研究團(tuán)隊(duì)之一。團(tuán)隊(duì)圍繞鎂電池關(guān)鍵材料開發(fā)和器件設(shè)計(jì)已申請相關(guān)專利十余項(xiàng)，基本形成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的鎂電池核心技術(shù)。上述工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委、中科院青促會、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。