中國粉體網訊 可充鎂金屬電池作為后鋰離子電池時代最具競爭力的儲能體系之一，憑借其高比能、高安全和低成本等諸多優點，正受到產學研界的日益關注。然而，鎂金屬電池的發展一直受限于兩大瓶頸問題：（1）缺乏同時兼顧鎂金屬負極與相應正極需求的鎂電解質體系；（2）缺乏性能優異的儲鎂正極材料，因為二價鎂離子（Mg2+）具有較高的電荷密度，造成Mg2+在正極材料晶格內部受到庫倫力作用的牽制而造成離子擴散速度緩慢，所以常見的嵌入型正極材料普遍表現出較差的可逆脫嵌Mg2+能力。
針對鎂電解質方面的問題，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員崔光磊帶領的仿生與固態能源系統研究組已經開發出一系列硼基鎂電解質體系，表現出優異的可逆沉積溶解鎂性能和導Mg2+能力（Adv. Energy Mater., 2017, 1602055；Electrochem. Commun., 2017, 83, 72；Energy Environ. Sci., 2017, 10, 2616-2625；ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 28, 23757-23765；Advanced Materials, 2019, 31(11): 1805930）。針對儲鎂正極材料方面的問題，研究人員則重點關注具有高比容量特性的轉化型正極，基于前期自己開發的硼基鎂電解質體系，研究組已開發了具有高能量密度的鎂-硫、鎂硒電池體系（Adv. Funct. Mater., 2017, 1701718；Energy Storage Materials, 2020, 26: 23-31），發現在硫、硒等正極中引入金屬銅能夠極大地提升正極側電化學反應的速率和可逆性，分析其原因在于，金屬銅的存在促使了正極側銅硒化合物和銅硫化合物的生成，但關于銅硒化合物和銅硫化合物的具體儲鎂機理過程仍有待揭示。
最近，該研究組在國際期刊《德國應用化學》上發表了最新研究工作，發現在Cu3Se2這一銅硒化合物正極中，Cu+作為活性載流子能夠有效調控正極側的電化學鎂化/去鎂化過程。具體而言，Cu+在正極材料內部與其界面處液相電解液間建立了快速、可逆的化學平衡，從而在正極側引入了Cu+/Cu氧化還原電對，而Cu+/Cu高度可逆的氧化還原反應極大地降低了充放電過程中正極側的極化電壓并提升了比容量。通過Cu+的媒介作用，鎂電池正極反應的可逆面容量可以提升至12.5 mAh cm-2。值得一提的是，電極和電解質之間的Cu+平衡也可能存在于其他銅硫化合物或銅硒化合物正極中，例如Cu2S和Cu2Se。這一電化學反應機制的揭示將有助于一系列高比能儲鎂正極材料的開發研究。
上述工作得到國家重點研發計劃、中科院戰略性先導專項、國家自然科學基金委、中科院青促會、山東省重點研發計劃等的支持。
（中國粉體網編輯整理/江岸）
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