麦立强:高容量长寿命的镁电池

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第一作者：周丽敏

通讯作者：麦立强、周震、安琴友

通讯单位：武汉理工大学、南开大学

研究亮点：

1. 首次研究了VOPO4纳米片作为镁电池正极材料的电化学行为。

2. 通过层间距调控实现了储镁性能的提升，在100 mA g-1下表现出310 mAh g-1的可逆容量，优异的循环稳定性（500圈容量达192 mAh g-1）以及优异的倍率性能。

3. 通过第一性原理计算发现，扩大层间距的VOPO4纳米片可允许MgCl+的嵌入，明显降低迁移能垒，有效改善扩散动力学。

尽管锂离子电池自20世纪90年代初已经实现商业化，但资源可持续性和安全性以及能量密度不足的问题仍然受到关注。寻找低成本、高能量密度的储能体系替代锂离子电池是解决大规模应用问题的方法之一。

镁电池

作为双电荷载体的镁金属负极具有3833 mAh cm-3的高理论容量（相对于Li的2046 mAh cm-3）和无枝晶的性质。同时，镁在地壳中含量丰富，且暴露于空气中相对安全。镁金属作为负极材料具有这些潜在的优势，但由于Mg2+与正极材料之间较强的相互作用，使得镁二次电池正极材料的发展受到阻碍。

得益于有效且简单的离子脱嵌化学，二维层状材料在镁电池中的应用已被广泛研究。例如，层状TiS2在C/10（12 mA g-1）、60 ˚C下循环时有115 mAh g-1的可逆储Mg容量。最近，休斯顿大学姚彦的团队通过在电解液中加入添加剂（1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓氯化物，PY14Cl）来改变嵌入的阳离子，在0.1 C（24 mA g-1）下实现了173 mAh g-1的可逆容量。

鉴于层间距和插层物质之间的紧密关系，尝试新型层状材料的层间距调控，实现具有高比容量、优异的倍率性能和循环稳定性的新型层状正极材料对镁二次电池的发展具有重要意义。

VOPO4作为聚阴离子型层状材料，以VO6八面体与PO4四面体共顶点相连，其层间空间能够提供阳离子嵌入位点。VOPO4作为锂/钠离子电池正极材料展现出优异的电化学性能，有望作为多价离子电池正极材料，但未见报道。

有鉴于此，武汉理工大学麦立强教授、安琴友副教授以及南开大学周震教授合作，首次研究了VOPO4纳米片的储镁行为，并通过层间距调控实现了高容量和长寿命的镁二次电池。

作者通过层间水分子置换成苯胺（PA）分子制备了具有扩展层间距（从0.74 nm到1.42 nm）的VOPO4纳米片。层间距扩大的VOPO4纳米片表现出310 mAh g-1的可逆储镁容量，高倍率容量（在100, 200, 500, 1000和2000 mA g-1的电流密度下分别具有275, 220,175,140和109 mAh g-1的可逆容量）和优异的循环稳定性（在100 mA g-1的电流密度下，500次循环之后仍有192 mAh g-1的容量）。该优异的电化学性能与MgCl+的嵌入/脱出机制有关，同时层间距的扩大也有利于离子的快速扩散。

图1 OH-VOPO4块体和PA-VOPO4纳米片的结构和形貌表征。

图2 VOPO4的储Mg性能。

图3不同充放电阶段的电极性质。

图4 Mg2+/MgCl+在PA-VOPO4纳米片中的扩散路径和扩散能垒图。

总之，本工作首次证明了扩大层间距的VOPO4纳米片可作为镁二次电池的正极材料。该研究为层状材料应用于多价离子二次电池提供了参考。

参考文献：

ZhouL, Liu Q, Zhang Z, et al. Interlayer‐Spacing‐Regulated VOPO4 Nanosheets with Fast Kinetics for High‐Capacity and Durable Rechargeable Magnesium Batteries[J]. AdvancedMaterials, 2018: 1801984.

DOI：10.1002/adma.201801984

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201801984

作者简介：

麦立强教授课题组主要开展新型纳米储能材料与器件领域的前沿探索性研究，包括新能源材料、微纳器件、面向能源的生物纳电子界面等前沿方向。率先将纳米器件应用于电化学储能研究，重点开展了纳米电极材料可控生长、性能调控、器件组装、原位表征、电输运与储能等系统性的基础研究，取得了一系列国际认可的创新性成果。课题组近年来主持/承担了国家重点基础研究发展计划、国家国际科技合作专项、国家杰出青年基金、教育部“长江学者特聘教授”、创新团队发展计划、国家青年##计划、国家自然科学基金、教育部新世纪优秀人才计划等20余项。

目前，实验室在Nature，Nature Nanotechnology, Nature Communications, PNAS, AdvancedMaterials, Energy & Environmental Science, Nano Letters等国际著名期刊发表学术论文280余篇，包括Nature及其子刊10篇，影响因子大于10的90余篇，45篇论文入选ESI 近十年高被引论文，9篇入选ESI全球TOP 0.1%热点论文；取得授权国家发明专利70余项。获中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、湖北省自然科学一等奖、侯德榜化工科学技术奖（青年奖）、Nanoscience Research Leader奖、入选“百千万人才工程计划”、国家“万人计划”领军人才，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴；指导学生获得 “中国青少年科技创新奖”（3届），全国大学生“挑战杯”特等奖（1届）、一等奖（2届）、二等奖（4届），中国大学生自强之星标兵（1届）和2014年大学生“小平科技创新团队” 等奖项。