馬里蘭大學(xué)Chunsheng Wang教授課題組牽頭的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用甲氧基乙胺螯合劑來(lái)調(diào)控二價(jià)金屬離子的溶劑化結(jié)構(gòu)，顯著改善了離子的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)快速電荷轉(zhuǎn)移，使得Mg2+、Ca2+能夠快速在層狀氧化物正極材料中嵌入和脫嵌，實(shí)現(xiàn)了高度可逆的離子嵌入和脫嵌，增強(qiáng)了電池性能和循環(huán)穩(wěn)定性，以Mg和Ca為負(fù)極的電池均獲得了與鋰電池相當(dāng)?shù)谋饶芰棵芏?，分別為412 Wh/kg和471Wh/kg可逆放電比容量。為開發(fā)設(shè)計(jì)高性能低成本的非鋰可充電電池開辟了新技術(shù)路徑。相關(guān)研究表明，以Mg、Ca為代表的二價(jià)金屬電池廣泛存在可逆性不佳和電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)緩慢問(wèn)題。為此研究人員在固態(tài)電池電解質(zhì)中引入了甲氧基乙胺螯合劑[–(CH2OCH2CH2N)n–]，以增強(qiáng)導(dǎo)電離子的去溶劑化作用，旨在改善上述不利問(wèn)題。研究人員首先將甲氧基乙胺螯合劑電解質(zhì)、Mg金屬負(fù)極和氧化物層狀正極組裝成完整的電池器件，并開展了電化學(xué)性能測(cè)試。在2-3.3 V之間、0.5C倍率下（1C=200 mA/g），Mg金屬電池獲得了412 Wh/kg比容量，且可以穩(wěn)定循環(huán)200余次，上述結(jié)果表明了電池具備良好的可逆性。為了探究電池性能改善的潛在機(jī)制，研究人員對(duì)電池進(jìn)行了一系列的微觀表征，實(shí)驗(yàn)顯示螯合劑引入后，通過(guò)溶劑化鞘重組繞過(guò)了能量不利的去溶劑化過(guò)程，極大地促進(jìn)了電解質(zhì)膜界面電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了Mg2+在層狀氧化物電極中的快速嵌入和脫嵌，并抑制了正極和金屬負(fù)極上的副反應(yīng)，從而增強(qiáng)了電池性能和循環(huán)穩(wěn)定性。而為了進(jìn)一步探索該方法的普適性，研究人員又基于上述含有螯合劑的電解質(zhì)制備了Ca金屬電池，同樣獲得了優(yōu)異電化學(xué)性能，可逆比容量達(dá)到了471 Wh/kg。表明了上述方法的確具備良好的普適性，可以應(yīng)用于其他金屬電池研究開發(fā)中。

 

                                                圖1 引入螯合劑溶劑化鞘重組過(guò)程

 

該項(xiàng)研究通過(guò)在電解質(zhì)中引入甲氧基乙胺螯合劑，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二價(jià)金屬離子溶劑化過(guò)程的優(yōu)化調(diào)控，顯著改善了電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)并實(shí)現(xiàn)了離子在層狀氧化物正極薄膜中可逆的嵌入和脫嵌，進(jìn)而增強(qiáng)了鎂、鈣金屬電池放電比容量和循環(huán)穩(wěn)定性，且實(shí)驗(yàn)方法具備良好的普適性，為開發(fā)高性能低成本的非鋰儲(chǔ)能電池開辟了新技術(shù)路徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Science》。