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中科院高溫鎂電池電解質(zhì)研究獲進(jìn)展
2025年04月14日 14:12:57
來(lái)源：化工儀器網(wǎng) 點(diǎn)擊量：6073
中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所科研人員等在高溫鎂金屬電池聚合物電解質(zhì)研究方面取得進(jìn)展。
高溫電池(High-Temperature Battery)是一類專門設(shè)計(jì)在高溫環(huán)境(通常指≥80℃甚至更高溫度)下穩(wěn)定工作的電池。與常規(guī)電池不同，高溫電池通過(guò)特殊的材料選擇、電解質(zhì)設(shè)計(jì)和界面優(yōu)化，解決了傳統(tǒng)電池在高溫下易失效、壽命短或存在安全隱患的問(wèn)題，適用于極端場(chǎng)景(如深海探測(cè)、太空設(shè)備、工業(yè)高溫環(huán)境等)。
鎂金屬因其高化學(xué)穩(wěn)定性(熔點(diǎn)達(dá)651℃)、低枝晶生長(zhǎng)傾向和低成本等特性，被視為開(kāi)發(fā)耐高溫電池的理想負(fù)極材料。然而，傳統(tǒng)液態(tài)鎂電解質(zhì)在高溫下易揮發(fā)、易燃，且界面副反應(yīng)嚴(yán)重，導(dǎo)致電池循環(huán)壽命和安全性受限。此外，鎂離子(Mg²?)的高電荷密度使其在正極材料中的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)緩慢，進(jìn)一步制約了電池性能。因此，開(kāi)發(fā)耐高溫、高離子電導(dǎo)率且界面穩(wěn)定的聚合物電解質(zhì)成為關(guān)鍵突破方向。
中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所科研人員等在高溫鎂金屬電池聚合物電解質(zhì)研究方面取得進(jìn)展。該研究在新型鎂電池聚合物電解質(zhì)開(kāi)發(fā)及鎂金屬負(fù)極界面構(gòu)筑等成果的基礎(chǔ)上，選用具有高熱穩(wěn)定性和優(yōu)異鎂負(fù)極兼容性的聚環(huán)氧氯丙烷進(jìn)行改性，并引入雙官能團(tuán)小分子季銨化交聯(lián)劑策略，實(shí)現(xiàn)了聚環(huán)氧氯丙烷的原位交聯(lián)，并在其中引入季銨根官能團(tuán)。
研究選用聚環(huán)氧氯丙烷(PECH)作為基體材料，其高熱穩(wěn)定性(>150℃)和鎂負(fù)極兼容性顯著優(yōu)于傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)。通過(guò)引入雙官能團(tuán)小分子季銨化交聯(lián)劑，實(shí)現(xiàn)聚合物的原位交聯(lián)。這一策略不僅增強(qiáng)了電解質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度，還通過(guò)季銨根官能團(tuán)的分解，在鎂負(fù)極表面形成富含Mg?N?的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合固體電解質(zhì)界面(SEI)。該界面具有高導(dǎo)鎂能力和化學(xué)穩(wěn)定性，有效抑制了副反應(yīng)和枝晶生長(zhǎng)。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，季銨根官能團(tuán)的最低未占分子軌道(LUMO)能級(jí)較低，使其優(yōu)先在負(fù)極表面分解，從而定向調(diào)控SEI的組成與結(jié)構(gòu)。結(jié)合青島能源所前期在單離子導(dǎo)體聚合物電解質(zhì)中的積累(如2022年開(kāi)發(fā)的“自支撐單離子導(dǎo)體膜”)，進(jìn)一步優(yōu)化了鎂離子的遷移數(shù)(達(dá)0.79)，顯著降低界面極化。
青島能源所的研究通過(guò)分子設(shè)計(jì)-界面工程-器件驗(yàn)證的全鏈條創(chuàng)新，推動(dòng)了高溫鎂金屬電池從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用。其成果不僅為耐高溫電池體系提供了新范式，也為我國(guó)在下一代高安全儲(chǔ)能技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)先機(jī)奠定了基礎(chǔ)。
該工作由青島能源所和青島大學(xué)合作完成。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、青島市自然科學(xué)基金等的支持。相關(guān)研究成果《Critical Ingredients Revitalize Magnesium-Metal Batteries: Rationality and Challenges》《In Situ Cross-Linking and Interfacial Engineering via Multifunctional Diamine Additive for High-Temperature Magnesium Metal Batteries》于近日發(fā)表發(fā)表在《先進(jìn)材料》上。
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