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中科院高溫鎂電池電解質(zhì)研究獲進展
2025年04月14日 14:12:57
來源：化工儀器網(wǎng) 點擊量：8888
中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所科研人員等在高溫鎂金屬電池聚合物電解質(zhì)研究方面取得進展。
高溫電池(High-Temperature Battery)是一類專門設(shè)計在高溫環(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，高溫電池通過特殊的材料選擇、電解質(zhì)設(shè)計和界面優(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題，適用于極端場景(如深海探測、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(熔點達(dá)651℃)、低枝晶生長傾向和低成本等特性，被視為開發(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散動力學(xué)緩慢，進一步制約了電池性能。因此，開發(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。
中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所科研人員等在高溫鎂金屬電池聚合物電解質(zhì)研究方面取得進展。該研究在新型鎂電池聚合物電解質(zhì)開發(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)氧氯丙烷進行改性，并引入雙官能團小分子季銨化交聯(lián)劑策略，實現(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。
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)。通過引入雙官能團小分子季銨化交聯(lián)劑，實現(xiàn)聚合物的原位交聯(lián)。這一策略不僅增強了電解質(zhì)的機械強度，還通過季銨根官能團的分解，在鎂負(fù)極表面形成富含Mg?N?的有機-無機復(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。
研究團隊發(fā)現(xiàn)，季銨根官能團的最低未占分子軌道(LUMO)能級較低，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年開發(fā)的“自支撐單離子導(dǎo)體膜”)，進一步優(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分子設(shè)計-界面工程-器件驗證的全鏈條創(chuàng)新，推動了高溫鎂金屬電池從實驗室走向?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，也為我國在下一代高安全儲能技術(shù)競爭中占據(jù)先機奠定了基礎(chǔ)。
該工作由青島能源所和青島大學(xué)合作完成。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(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《先進材料》上。
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