中科院AFM:张跃钢团队在LiCl沉积／剥离Mg／S电池方面取进展

引言

　　金属镁具有极高的理论比容量(2205 mA h g -1)和体积比容量(3833 mA h cm-3)，价格低廉可作为高能量密度电池的负极。此外，由于镁金属无枝晶产生因而具有比锂金属更好的安全性。因此，构建基于转换反应的电化学储能装置（例如Mg/S电池）是一个非常有前景的策略。然而，与Li不同的是，Mg容易形成电化学惰性的表面层，这严重限制了它的应用。目前，可以有效地沉积/剥离金属Mg且具有低的过电位和高库伦效率的电解液大多是基于二氯或其苯基配合物。然而，它们会与硫正极会发生反应，因此很难在Mg/S电池上得到应用。镁/硫电池用非亲核电解液已引起广泛关注。正如锂离子电池的历史所证明的，电解液中的添加剂对于电池的成功是必不可少的。对于Mg和Mg/S电池，添加添加剂也是一种提高其性能的经济且有效的方法。

成果简介

　　近日，中科院苏州纳米所及清华大学张跃钢教授团队提出使用LiCl作为电解液添加剂来促进Mg金属负极的沉积/剥离，并成功地将此方法应用于新开发的全无机电解质[Mg·6THF] [AlCl4]2。实验结果表明，Mg/Mg对称电池在500μA cm-2下的电流密度下过电位仅为140 mV，Mg/S电池在0.4 C的倍率下循环寿命超过500次。相关研究成果“Extending Cycle Life of Mg/S Battery by Activation of Mg Anode/Electrolyte Interface through an LiCl-Assisted MgCl2 Solubilization Mechanism”为题发表在Advanced Functional Materials上。

图文导读

图一 电解液的光学照片和对称电池性能表征

　　（a，b）0.6 m MgCl2和0.6 m MgCl2-LiCl在THF中的光学照片；

　　（c）基于不同电解液的Mg/Mg对称电池在10至500μAcm-2的不同电流密度下的时间-电压曲线；

　　（d）添加了LiCl的电解液中Mg–Mg对称电池在500μAcm-2的电流密度下的时间-电压曲线。

图二 原始和添加LiCl的电解液的电化学特性

　　（a）LSV曲线；

　　（b）Mg /Mg对称电池的EIS谱图；

　　（c）以铂作为工作电极，以镁金属箔作为对电极和参比电极的CV曲线；

　　（d）随着时间的推移，Mg沉积和溶解的电荷图。

图三 金属Mg的沉积行为表征

　　（a，b）添加LiCl的电解液中Cu衬底上的Mg沉积物的SEM图像；

　　（c）在添加了LiCl的电解液中，铜箔上的Mg沉积物的XRD图谱；

　　（d）在添加了LiCl的电解液中，铜基底上的沉积物的XPS。

图四 Mg/Mg对称电池在电解液中的Mg沉积/剥离行为

图五 电解液的光谱表征和相应的分子构型

图六 Mg/S的电化学性能表征

　　（a）EIS阻抗谱图；

　　（b）0.1C下的循环性能；

　　（c）充电曲线对比；

　　（d）在不同倍率下的充放电曲线；

　　（e）在0.4C的倍率下的长循环性能。

小结

　　总之，作者发现了LiCl可作为[Mg·6THF] [AlCl4]2电解液的良好添加剂，它可以溶解不溶的MgCl2沉积物并激活金属镁/电解液界面。实验结果表明，添加LiCl的电解液能够显着降低金属Mg电极的电化学过电位势。在电解液质的作用下，Mg/S电池以0.4 C的倍率循环了500次以上，可逆容量高达300 mA h g-1。这种方法为设计高性能Mg/S电池的低成本全无机电解液开辟了一条新途径。

　　文献链接：“Extending Cycle Life of Mg/S Battery by Activation of Mg Anode/Electrolyte Interface through an LiCl-Assisted MgCl2 Solubilization Mechanism”(Adv. Funct. Mater. 2019,DOI: DOI: 10.1002/adfm.201909370)