目前，因其高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命，鋰離子電池在電池領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，然而，鋰資源的稀缺催生了新型電池體系的發(fā)展，亟需一類資源豐富、來(lái)源廣泛的新型儲(chǔ)能器件?？沙潆婃V電池（RMBs）以豐富的鎂儲(chǔ)量、低廉的原鎂價(jià)格以及優(yōu)越的安全性和高容量等優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注，然而，高性能的儲(chǔ)鎂正極材料的缺乏很大程度上限制了RMBs的發(fā)展。

近日，材料科學(xué)系孫大林、王飛、劉洋團(tuán)隊(duì)提出原位電化學(xué)活化（ISEA）策略，顯著提高了CuSe正極材料的儲(chǔ)鎂動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了RMBs優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。相關(guān)成果以“In-situ electrochemical activation accelerates the magnesium-ion storage”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。

據(jù)團(tuán)隊(duì)介紹，由于Mg離子的二價(jià)性質(zhì)，且離子半徑小，導(dǎo)致其在固相中擴(kuò)散緩慢，緩慢的擴(kuò)散導(dǎo)致了RMBs中較大的極化和電壓滯后。這種緩慢的儲(chǔ)鎂動(dòng)力學(xué)不僅限制了電池的充放電倍率，而且加速了電池的容量衰減。

雖然目前許多方法已被用于改善儲(chǔ)鎂動(dòng)力學(xué)，包括減小顆粒尺寸、擴(kuò)大離子擴(kuò)散通道和優(yōu)化溶劑化結(jié)構(gòu)等策略。但上述方法主要關(guān)注正極材料的結(jié)構(gòu)對(duì)其電化學(xué)性能的影響，但正極-電解質(zhì)界面對(duì)儲(chǔ)鎂動(dòng)力學(xué)的貢獻(xiàn)通常被忽視，調(diào)控RMBs界面動(dòng)力學(xué)的潛在機(jī)制能不明確。目前有關(guān)界面問題的機(jī)理和策略亟待研究。因此，探索提高金屬硫族化合物轉(zhuǎn)化型儲(chǔ)鎂正極的界面動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的有效方法是實(shí)現(xiàn)高性能RMBs的必要條件。

在研究中，團(tuán)隊(duì)提出ISEA策略，通過優(yōu)化正極材料的表面組成和晶格結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了鎂離子的傳輸和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

具體而言，經(jīng)過ISEA處理后的CuSe正極表面富含MgF2，根據(jù)先前的報(bào)道，該成分有利于加速鎂離子在電極和電解液之間的傳輸，提高儲(chǔ)鎂動(dòng)力學(xué)；此外，通過ISEA處理后，擴(kuò)大了CuSe正極(100)晶面的晶面間距，結(jié)合DFT計(jì)算表明，晶面間距的縮小降低了吸附能和形成能，促進(jìn)鎂離子的吸附和反應(yīng)從而改善儲(chǔ)鎂動(dòng)力學(xué)。最終，活化后的CuSe/TFSI/Mg電池在高電流密度下展現(xiàn)出優(yōu)異電化學(xué)性能，400次循環(huán)后仍能保持~160 mAh/g的比容量，容量保持率超91%。倍率性能測(cè)試中在1000 mA/g的高電流密度下，電池比容量高達(dá)141mAh/g。這項(xiàng)研究為改善儲(chǔ)鎂動(dòng)力學(xué)提供了新思路和新方法。

圖1. 經(jīng)過ISEA處理后的CuSe||Mg電池電化學(xué)性能以及與其他已報(bào)道的儲(chǔ)鎂正極材料性能對(duì)比