傳統(tǒng)能源的間歇性問題加劇了研發(fā)穩(wěn)定儲(chǔ)能設(shè)施的重大需求。可充電鎂電池憑借其高的能量密度、豐富的資源儲(chǔ)備、低廉的成本以及出色的安全性，已成為清潔能源領(lǐng)域競(jìng)相研發(fā)的新熱點(diǎn)，并展現(xiàn)出巨大的商業(yè)化應(yīng)用潛力。然而，鎂電池的發(fā)展仍面臨諸多關(guān)鍵技術(shù)難題。其中，電極材料中鎂離子的緩慢擴(kuò)散、晶格膨脹引發(fā)的嚴(yán)重應(yīng)力、以及鎂電極表面枝晶的形成與腐蝕等問題尤為突出，嚴(yán)重制約了鎂電池的性能提升與廣泛應(yīng)用。
物理學(xué)院先進(jìn)材料與能源器件團(tuán)隊(duì)陳松博士、張文明教授等人立足國家重大戰(zhàn)略需求，針對(duì)以上問題，開展了多個(gè)基于電極材料微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)工作，系統(tǒng)地進(jìn)行了儲(chǔ)鎂材料的改性研究，探究了其儲(chǔ)鎂機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)鎂能力的顯著提升。這些研究成果不僅解決了鎂電池發(fā)展過程中的一系列關(guān)鍵科學(xué)問題，還具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用意義，推動(dòng)著鎂電池技術(shù)的不斷創(chuàng)新與突破，具體包括：
首先，他們通過陰離子調(diào)諧策略制備了具有二維片狀結(jié)構(gòu)的Cu1.8S1-xSex正極材料，提高了鎂存儲(chǔ)容量和循環(huán)穩(wěn)定性。同步輻射分析證明了硒的加入改變了銅化學(xué)狀態(tài)；理論分析表明，陰離子取代使Cu1.8S1-xSex電極具有良好的電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)和低離子擴(kuò)散勢(shì)壘，這些研究結(jié)果揭示了鎂的主要儲(chǔ)存機(jī)制和結(jié)構(gòu)演化過程(Nano Letters2024, 24, 10458)。
其次，他們提出了雙離子共嵌入策略，以加速離子在Cu3VS4中的遷移，實(shí)現(xiàn)更高的比容量、倍率性能和超穩(wěn)定的循環(huán)能力。分析表明，雙離子共嵌入可以加快電荷轉(zhuǎn)移，降低Mg2+的擴(kuò)散勢(shì)壘，優(yōu)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。有限元模擬從力學(xué)角度驗(yàn)證了雙離子共嵌有助于減輕殼層中鎂化/鋰化引起的應(yīng)力，并保持結(jié)構(gòu)完整性(AdvancedFunctional Materials2024, 2411881)。為了進(jìn)一步改善鎂/鋰雜化電池的儲(chǔ)能行為，他們利用生長在碳布上的(Co,Cu)Se2/CoSex異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為正極，APC-LiCl作為雙鹽電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了高的可逆容量和循環(huán)穩(wěn)定性。分析發(fā)現(xiàn)，異質(zhì)界面的構(gòu)建刺激了內(nèi)建電場(chǎng)和高密度電子流的形成，從而加速了電荷轉(zhuǎn)移和離子擴(kuò)散過程，異質(zhì)結(jié)構(gòu)有效地緩解了鎂化/鋰化引起的應(yīng)力，提高了材料的結(jié)構(gòu)完整性(Nano Letters2024,24, 15050)。
此外，對(duì)鎂負(fù)極的衰退機(jī)制也進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和闡述，討論了建立穩(wěn)定負(fù)極和負(fù)極/電解液界面的幾種主要策略，簡(jiǎn)要闡述了該領(lǐng)域未來研究的機(jī)遇和挑戰(zhàn)(MaterialToday2024, 72, 282)。
Nano Letters (IF=9.6) , Advanced Functional Materials (IF=18.5), Materials Today (IF=21.1)均為中科院一區(qū)、物理學(xué)科高水平期刊，以上工作得到了國家自然科學(xué)基金、河北省自然科學(xué)基金、河北省燕趙黃金臺(tái)聚才計(jì)劃骨干人才項(xiàng)目、河北大學(xué)高層次人才引進(jìn)基金等項(xiàng)目資助和物理學(xué)院公共測(cè)試平臺(tái)的大力支持。
文章鏈接
[1]https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.12.002.
[2]https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01651.
[3]https://doi.org/10.1002/adfm.202411881.
[4]https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04123.
（物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院供稿）
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