隨著可充電（二次）電池在能源領域的廣泛應用，具有更高能量密度、更大功率密度的可充電電池體系成為研究人員追逐的研究熱點。近年來，隨著二次電池鋰離子電池、鉀離子電池、鎂離子電池以及鋁離子電池等的發(fā)展，開發(fā)匹配以上二次電池高性能的電極材料成為能否實現(xiàn)新型高性能儲能與能量轉換等目標的關鍵。
近年來，中科院韓偉強等人在包括高能量密度鋰離子電池和鎂離子電池等方面取得系列進展。在高性能鋰離子電池硅基負極材料方面，開發(fā)了系列微米級多孔硅及硅碳復合負極材料。研究團隊開發(fā)的多孔硅負極材料首次庫倫效率達到88.1%，循環(huán)100次容量保持率超過99.0%。
左：微米級多孔硅負極材料的形貌圖；右：微米級多孔硅的首次充放電曲線
與硅同主族的元素鍺，在室溫下導電率更高（是硅的104倍），同時鍺的理論比容量高達1600mAh/g。該團隊利用工業(yè)化噴霧干燥的方法成功制備了高倍率性能的鍺基負極材料。該鍺基負極材料即使在5A/g的電流密度下，放電比容量還能保持在550 mAh/g。
左：GeOx/CNTs形貌圖；右：GeOx/CNTs電極在不同負載量下的循環(huán)性能曲線
該方法中，利用噴霧造球形成穩(wěn)固的GeOx/CNTs三維網(wǎng)絡結構，起到了很好的電子傳輸作用，大大降低了電池電極的接觸電阻，減小了電池的極化，實現(xiàn)了電池的高倍率充放電特性。
鎂離子電池由于其較高的安全性、環(huán)境友好以及鎂自身較高的體積比容量（3833 mAh/cm-3）等特點，越來越受到研究人員的關注。但是，鎂離子電池面臨著諸多問題，包括：（1）如何開發(fā)能夠實現(xiàn)可逆鎂離子沉積與溶解的電解質體系，克服大多數(shù)溶液中鎂表面容易形成鈍化膜阻礙鎂離子傳輸?shù)膯栴}。（2）鎂離子電荷密度大，極化作用強，如何找到能夠有效嵌入鎂離子的具有優(yōu)異性能的正極材料等。
基于以上的系列問題，該團隊開發(fā)了一種碘基正極材料，其具有較高的工作電壓（2.0 V）、較高的比容量（～200 mAh/g）以及較好的循環(huán)性能（> 120次循環(huán)充放電）。同時，該工作優(yōu)化了鎂基電解質體系，實現(xiàn)了可逆的鎂離子沉積和溶解，其庫倫效率接近100%。該工作深入地研究了該鎂離子電池體系的反應機理，并利用其特有的儲鎂機理，克服了由于鎂離子電荷密度大、嵌入正極材料困難的缺點，為開發(fā)新型鎂離子電池提供了新的方法和思路。
基于碘基正極材料的鎂離子電池電化學性能
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