青岛能源所崔光磊开发出高比能储镁正极材料

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可充镁金属电池作为后锂离子电池时代最具竞争力的储能体系之一，凭借其高比能、高安全和低成本等诸多优点，正受到产学研界的日益关注。然而，镁金属电池的发展一直受限于两大瓶颈问题：（1）缺乏同时兼顾镁金属负极与相应正极需求的镁电解质体系；（2）缺乏性能优异的储镁正极材料，因为二价镁离子（Mg2+）具有较高的电荷密度，造成Mg2+在正极材料晶格内部受到库伦力作用的牵制而造成离子扩散速度缓慢，所以常见的嵌入型正极材料普遍表现出较差的可逆脱嵌Mg2+能力。

　　针对镁电解质方面的问题，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员崔光磊带领的仿生与固态能源系统研究组已经开发出一系列硼基镁电解质体系，表现出优异的可逆沉积溶解镁性能和导Mg2+能力（Adv. Energy Mater., 2017, 1602055；Electrochem. Commun., 2017, 83, 72；Energy Environ. Sci., 2017, 10, 2616-2625；ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 28, 23757-23765；Advanced Materials, 2019, 31(11): 1805930）。针对储镁正极材料方面的问题，研究人员则重点关注具有高比容量特性的转化型正极，基于前期自己开发的硼基镁电解质体系，研究组已开发了具有高能量密度的镁-硫、镁硒电池体系（Adv. Funct. Mater., 2017, 1701718；Energy Storage Materials, 2020, 26: 23-31），发现在硫、硒等正极中引入金属铜能够极大地提升正极侧电化学反应的速率和可逆性，分析其原因在于，金属铜的存在促使了正极侧铜硒化合物和铜硫化合物的生成，但关于铜硒化合物和铜硫化合物的具体储镁机理过程仍有待揭示。
　　最近，该研究组在国际期刊《德国应用化学》上发表了最新研究工作，发现在Cu3Se2这一铜硒化合物正极中，Cu+作为活性载流子能够有效调控正极侧的电化学镁化/去镁化过程。具体而言，Cu+在正极材料内部与其界面处液相电解液间建立了快速、可逆的化学平衡，从而在正极侧引入了Cu+/Cu氧化还原电对，而Cu+/Cu高度可逆的氧化还原反应极大地降低了充放电过程中正极侧的极化电压并提升了比容量。通过Cu+的媒介作用，镁电池正极反应的可逆面容量可以提升至12.5 mAh cm-2。值得一提的是，电极和电解质之间的Cu+平衡也可能存在于其他铜硫化合物或铜硒化合物正极中，例如Cu2S和Cu2Se。这一电化学反应机制的揭示将有助于一系列高比能储镁正极材料的开发研究。
　　上述工作得到国家重点研发计划、中科院战略性先导专项、国家自然科学基金委、中科院青促会、山东省重点研发计划等的支持。
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        文章来源：青岛能源所
        崔光磊，博士，研究员，博士生导师，享受国务院特殊津贴专家，先后获得中科院“百人计划”终期评估“优秀”奖、山东省“泰山学者”特聘专家、国家自然科学基金“杰出青年”基金获得者称号等。2000年于青岛化工学院应化系获得应用化学硕士学位，2005年于中国科学院化学所获得有机化学博士学位，2005年9月至2009年2月先后在德国马普协会高分子所和固态所从事博士后研究。现任中科院青岛能源所学位委员会主任、学术委员会副主任，能源应用技术二级所所长，青岛储能产业技术研究院执行院长、青岛太阳能储能重点实验室主任。国际聚合物电解质委员会委员、中国电化学会委员、中国固态离子会理事。主要从事低成本高效能源储存与转换器件的研究开发工作。作为负责人和主要参与者承担国家973计划、863计划，国家自然科学基金项目，中科院先导专项、国际合作项目及企业横向项目等多项科研项目，经费8000多万。先后在材料、化学、能源材料等方面的国际权威杂志Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Energy Environ. Sci.、Coordin. Chem. Rev.、Prog. Polym. Sci.等发表文章160多篇，SCI总引用6500多次，他引5000多次。