可充鎂電池新型電解液的研究.pdf

1、長(zhǎng)期以來,可充鎂電池被認(rèn)為是一種理想的能源轉(zhuǎn)化裝置。鎂金屬擁有以下特點(diǎn):第一、體積比容量大(達(dá)3833 mAh cm-3);第二、地殼中豐度高(地殼中鎂元素含量排名第五);第三、化學(xué)活性較低,安全性高。因此,可充鎂電池有望用于電動(dòng)車儲(chǔ)能系統(tǒng),受到了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。
　　受正極材料和電解液研究的限制,可充鎂電池的發(fā)展還處于實(shí)驗(yàn)室階段。其原因是由于Mg具有很強(qiáng)的化學(xué)活性,因而在絕大多數(shù)非質(zhì)子有機(jī)溶劑中均會(huì)形成表面鈍化膜,與鋰離子的鈍

2、化膜不同的是,鎂電池的鈍化膜是Mg2+的不良導(dǎo)體,鎂離子難以通過鈍化層,因而難以進(jìn)行沉積和溶解,限制了其電化學(xué)活性。因此尋找合適的鎂電解液對(duì)可充鎂電池的研究有著至關(guān)重要的意義。
　　當(dāng)前,阻礙鎂電池研究的難點(diǎn)主要有兩個(gè):第一、現(xiàn)有鎂電池電解液的電化學(xué)窗口較窄,并且對(duì)非貴金屬集流體存在腐蝕,因而難以滿足高電壓平臺(tái)正極材料的開發(fā);第二、傳統(tǒng)可充鎂電池電解液THF沸點(diǎn)很低,揮發(fā)性大,實(shí)際應(yīng)用于可充鎂電池將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的脹氣問題,影響電池安

3、全性。
　　本文根據(jù)以上問題制備了新型硼基電解液,研究了其在非貴金屬集流體上的鎂沉積溶出電化學(xué)性能,同時(shí),利用離子液體N-甲基-N-丁基哌啶雙三氟甲基磺酰胺(PP14TFSI)作為THF溶劑添加劑,提高THF沸點(diǎn),改善了可充鎂電池的安全性。具體內(nèi)容如下:
　　1)通過在格氏試劑FPhMgBr上引入第二個(gè)FPh基團(tuán)制備(FPh)2Mg化合物,并將其與路易斯酸三間二甲基苯硼在THF溶劑中絡(luò)合,制備了(FPh)2Mg-Mes3B/

4、THF電解液。文中研究了金屬鎂在(FPh)2Mg-Mes3B/THF電解液中的可逆沉積溶出性能以及不同濃度電解液的室溫離子電導(dǎo)率,研究表明0.4 mol L-1(FPh)2Mg-Mes3B/THF電解液具有最寬的電化學(xué)窗口(2.6 vs. Mg),最高的室溫離子電導(dǎo)率2.57 mS cm-1。同時(shí),通過比較(FPh)2Mg-Mes3B/THF電解液與(FPh)2Mg/THF,(FPhMgBr)2-Mes3B/THF, FPhMgBr/T

5、HF等類似電解液的電化學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)第二個(gè)FPh基團(tuán)的引入并沒有能改善格氏試劑的電化學(xué)窗口,而路易斯酸三二間甲基苯硼的引入則大大優(yōu)化了電解液的鎂沉積溶出電化學(xué)性能。
　　2)通過在THF溶劑中加入N-甲基-N-丁基哌啶雙三氟甲基磺酰胺(PP14TFSI)離子液體,制備2-叔丁基-4-甲基苯氧基氯化鎂-三氯化鋁/四氫呋喃+離子液體混合溶劑電解液。熱重測(cè)試發(fā)現(xiàn),添加了離子液體PP14TFSI后,四氫呋喃溶劑的揮發(fā)性大大降低,這顯著增強(qiáng)了

6、鎂電解液的熱穩(wěn)定性。同時(shí),循環(huán)伏安測(cè)試表明,使用混合溶劑作為電解質(zhì)的溶劑后,2-叔丁基-4-甲基苯氧基氯化鎂-三氯化鋁電解液仍然具有十分優(yōu)秀的鎂沉積溶出性能,同時(shí),相比與純THF作溶劑的電解液,該新電解液電化學(xué)窗口略有拓寬。此外,利用該電解液組裝扣式電池,發(fā)現(xiàn)該電解液與Mo6S8有很好的兼容性。研究表明,該溶液具有良好的鎂沉積溶出性能和寬的電化學(xué)窗口且與正極材料兼容,是一種良好的可充鎂電池電解液。更重要的是,由于離子液體的加入,該電解液