张跃钢研究组在耐水性镁电池电解液研究中取得进展
2022年7月19日
镁金属负极具有成本低，体积比容量高（3833 mA h cm-3），不易生长枝晶，物理化学性质相对稳定等优势。然而，由于镁离子较低的还原电势（-2.37 V vs. SHE），会使得大部分溶剂（除去醚类试剂）、部分镁电解质盐阴离子等在其表面还原分解，并形成一层并不能传导镁离子的钝化层。此外，来自溶剂或反应物中的杂质（例如微量的水、二氧化碳等）会降低电解液的反应活性以及加重镁负极的钝化， 因此，设计能够与镁负极匹配，且可耐水、耐杂质的电解液对可充镁电池的发展至关重要。
最近，清华大学张跃钢教授课题组利用LiHMDS-LiCl复合双盐添加剂，制备了一种与镁负极高度匹配、可耐水耐杂质的MgCl2-LiCl-LiHMDS/THF电解液，实现了10000圈次以上稳定循环的Mg//Mo6S8电池。分子动力学模拟、第一性原理计算、拉曼以及核磁等研究方法证明，单独使用有机LiHMDS盐作为电解液添加剂既有好处又有坏处：好的一方面是，少量添加的LiHMDS盐会与MgCl2在THF溶剂中形成耐水的[MgxLiyHMDSzCl2x+y-z· nTHF] 聚集体溶剂化结构，并降低镁离子的脱溶剂化能；不好的一方面是过量添加的LiHMDS盐会使得[MgxLiyHMDSzCl2x+y-z· nTHF] 聚集体发生解离。而使用无机LiCl作为共同添加剂可以重建[MgxLiyHMDSzCl2x+y-z· nTHF] 功能聚集体并避免其发生解离。这一研究工作为进一步优化镁电池电解液设计提供了重要指导。
该工作以“Simultaneous Optimization of Solvation Structure and Water-Resistant Capability of MgCl2-based Electrolyte Using an Additive Combination of Organic and Inorganic Lithium Salts”为题发表在国际著名学术期刊Energy Storage Materials上。清华大学物理系张跃钢教授为该文的通讯作者，清华大学物理系范海燕、张馨心为该文章的第一作者。该项工作得到国家自然科学基金（U1832218）、量子信息前沿科学中心、北京未来芯片技术高精尖创新中心和清华-富士康纳米科技研究中心的支持。