高倍率、長壽命鎂硫（Mg-S）電池體系：受益于金屬有機框架（MOF）衍生碳載體和鋰鹽調(diào)節(jié)劑

 

　　電動汽車和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域?qū)﹄姵啬芰棵芏�、安全性要求不斷提高，發(fā)展低成本、高能量密度、安全的新型二次電池愈發(fā)迫切。在諸多新型電池體系中，鎂電池由于負(fù)極體積比容量高（3833mAh/cm3）、資源豐富、在沉積/剝離中不易形成枝晶等優(yōu)點，受到廣泛關(guān)注。但鎂離子體積小、電荷密度大、極化作用強等特點，極大限制了可供二價鎂離子可逆脫嵌的正極材料選擇。由于缺乏高電位的正極結(jié)構(gòu)和電解液配方原型，通過發(fā)展高電位的嵌入型鎂電池研究進展緩慢。此外，還有一種可行的路徑是構(gòu)筑適中電位的基于大容量轉(zhuǎn)換反應(yīng)的鎂基電池體系，如Mg-S電池（理論能量密度高達(dá)1722Wh/kg），但Li-S電池中的成功策略無法簡單復(fù)制到Mg-S體系中，已報道的鎂硫電池電位極化、倍率和循環(huán)性能仍然較差。

 

　　為了避免二價鎂離子緩慢晶格內(nèi)遷移的問題，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟團隊在前期工作中已開發(fā)了鋰驅(qū)動多硫化物正極轉(zhuǎn)換反應(yīng)的大容量雙鹽鎂基電池（Adv. Funct. Mater. 2015，25），同時提出了陰離子嵌入激活、反應(yīng)中心外露的鎂基電池體系（Adv. Funct. Mater. 2015，25）。近日，該團隊在動力學(xué)改善的鎂硫電池研究中取得重要進展。研究人員選擇金屬有機框架化合物ZIF67為前驅(qū)體，制備了一種Co、N異質(zhì)原子共摻雜的分級多孔碳作為硫宿主材料，實現(xiàn)了鎂硫電池的倍率和循環(huán)性能的顯著升級。在1C倍率下，該鎂硫電池表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，首次放電容量可達(dá)600mAh/g，200次循環(huán)后容量仍保持在400mAh/g左右。在更高的5C倍率下，電池仍然具有300-400mAh/g的可逆容量。為繼續(xù)提升電化學(xué)性能，研究人員采用還原氧化石墨烯修飾的隔膜來優(yōu)化電池構(gòu)架，進一步限制了多硫化物的穿梭，電池在0.1C電流密度下可運行250次循環(huán)以上，顯著提高了鎂硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性。鎂硫電池優(yōu)異的電化學(xué)性能受益于多重因素的協(xié)同作用，如異質(zhì)摻雜有利于鎂硫電池在充放電過程中多硫化物的吸附和催化分解，在非親核性鎂電解液中添加鋰鹽和氯離子有利于抑制鎂負(fù)極表面鈍化和提高電解液活性，充放電模式調(diào)節(jié)和隔膜修飾有利于緩減和控制多硫化物的損失，抑制其穿梭效應(yīng)。

 

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在 《先進材料》上。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院“百人計劃”和上海市“千人計劃”等的資助。