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化學院周新紅副教授團隊在可充鎂金屬電池領域取得系列進展
作者:周新紅、趙一民、杜奧冰  審核:楊小明、張巖 來源:化學院  編輯:王文豔 點擊:[] 日期:2021年07月01日

進入21世紀以來,人們對於可持續性儲能電池的需求日益增長,對電池能量密度和安全性能提出了越來越高的要求。在眾多金屬負極二次電池中(鋰、鈉、鉀、鎂、鈣、鋅等),鎂金屬負極擁有不易長枝晶、高體積比容量(3833 mAh cm–3)、高儲量(地殼丰度2.3%)、低成本和高安全等諸多優勢。因此,可充鎂金屬電池是一種極具開發潛力的低成本、高性能的新型電池體系。然而,由於鎂金屬負極表面極易形成阻礙鎂離子傳導的界面鈍化層,所以開發與鎂金屬負極兼容的新型電解液體系,以及精準調控鎂金屬負極的界面相組成,對於可充鎂金屬電池的實用化進程至關重要。

近來,青島科技大學化學院周新紅副教授團隊在鎂金屬負極表面成功設計並構築了一種鉍基人工界面保護層,該保護層不僅有效抑制了常用鎂電解液體系在鎂金屬負極上有害的分解反應,而且促進了均勻的鎂沉積行為,抑制電池內短路的發生。更為重要的是,改性後鎂金屬負極匹配各種轉化型正極後的全電池性能都表現優異,證明了該保護層的實用化價值。相關成果發表在能源類頂刊ACS Energy Letter上(文章鏈接://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c01243)。

圖1鉍基人工界面保護層的作用機制

除了上述最新成果,近年來周新紅團隊及其合作者們在高性能及高安全的可充鎂電池研究方向上做了大量系統深入的前瞻性研究,尤其在新型鎂電解質體系開發和鎂金屬負極界面改性兩大方向都取得了重要的階段性進展,得到了國際同行的高度認可。

在新型鎂電解質體系方面:周新紅團隊及其合作者創新性地提出了硼基大陰離子鎂鹽的設計理念,並以此為指導,合成得到一系列具有高離子電導率、非親核性和寬電化學窗口等優異性能的鎂電解液體系(Adv. Energy Mater., 2017, 1602055;Electrochem. Commun., 2017, 83, 72;ACS Appl. Mater. Inter., 2018, 10(28), 23757-23765;Energy Environ. Sci., 2017, 10, 2616-2625)。同時,基於團隊自己開發的硼基鎂電解液,構建了高能量密度的鎂-硫、鎂-硒電池體系,實現了高倍率、長循環的優異電池性能(Adv. Funct. Mater., 2018, 28,1701718;Energy Storage Mater., 2020, 26, 23-31)。此外,研究人員通過硼氫化鎂與聚四氫呋喃端羥基的原位交聯反應,在玻璃纖維骨架上構建了一種能夠可逆地沉積溶解鎂的凝膠聚合物電解質體系。該凝膠電解質不僅能在寬温區(-20–60 ℃)內正常工作,並且展現出優異的安全性能(Adv. Mater. , 2019, 31(11), 1805930)。

在鎂金屬負極界面研究方面,周新紅團隊首次發現一種純鋰鹽電解液體系能直接用作導鎂電解液,並首次證實了,在電化學循環過程中,伴隨着部分鋰鹽的分解,鎂金屬負極表面原位形成了穩定的導鎂固體電解質界面相,引起研究人員們的廣泛關注(Adv. Mater., 2020, 32(6), 1904987)。另外,基於鋁中心陰離子鎂鹽設計,通過陰離子—溶劑配位作用來調控分子軌道能級,成功構建了穩定的導鎂固體電解質界面相,極大地提高了電池的可逆性以及長循環穩定性(Small, 2020, 16(49): 2005424)。

圖2周新紅團隊在鎂電解質開發和鎂金屬負極界面改性等方面的代表性工作

雖然可充鎂電池體系的研究尚處於應用基礎階段,但周新紅副教授在該方向上的深入工作為未來低成本電池體系的發展提供了新思路和新方向。上述研究工作得到了國家自然科學麪上基金(52072195)和青島儲能產業技術研究院的重點基金(110萬)的大力支持。

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