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可充電鎂電池技術(shù)表現(xiàn)出低成本，高安全性和相對較高的能量密度等特點(diǎn)，然而，在實(shí)際應(yīng)用條件下(高面容量和快充放電速率等)，提升金屬鎂的沉積/溶解性能以及解析金屬鎂-電解質(zhì)界面化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)是當(dāng)前可充鎂電池發(fā)展所面臨的重要課題。此外，當(dāng)前常用的四類鎂電池電解質(zhì)其沉積/溶解鎂能力在不同文獻(xiàn)報(bào)道中差別較大。
針對上述兩方面問題，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院李桂村教授，張忠華副教授，聯(lián)合中科院青能所崔光磊研究員在鎂電池電解液及鎂沉積界面形態(tài)方面進(jìn)行了深入研究，并取得階段性進(jìn)展。以青島科技大學(xué)為第一通訊單位，研究內(nèi)容以”Insights into interfacial speciation and deposition morphology evolution at Mg-electrolyte interfaces under practical conditions”為題，在中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃重點(diǎn)期刊《Journal of Energy Chemistry》(48,2020,299–307,IF=5.162)上發(fā)表文章。
研究結(jié)果表明，鎂電池電解液的溶液化學(xué)性質(zhì)以及金屬鎂-電解質(zhì)界面對金屬鎂負(fù)極的可逆性以及金屬鎂沉積物形貌起著至關(guān)重要的作用。在高面容量(5-10 mAh cm-2)條件下，當(dāng)前常用的四類鎂電解質(zhì)所組裝的Mg//Cu非對稱電池會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的內(nèi)部短路，但是發(fā)生短路的時(shí)間各不相同。進(jìn)一步的光學(xué)和電子顯微鏡分析表明，在金屬鎂剝離過程中，負(fù)極表面會(huì)形成的多孔陣列狀和半球形的腐蝕坑，隨后的金屬鎂沉積過程，鎂離子優(yōu)先被還原并沉積形成松散的相互連接的大塊聚集體，而不是均勻且密實(shí)的膜狀沉積物。所形成的相互連接的顆粒狀金屬鎂沉積物易于滲透并進(jìn)入多孔隔膜，進(jìn)而導(dǎo)致電池失效。另外，通過X射線光電子能譜刻蝕技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，從沉積物的表面到內(nèi)部都顯示出金屬鋁的共沉積現(xiàn)象，而鎂沉積物的近表面中還存在含氯的化合物，相關(guān)物種分析及其形成機(jī)制仍需要進(jìn)一步研究。
本課題得到國家自然科學(xué)基金，山東省自然科學(xué)基金，山東省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，青島市科技發(fā)展計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
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