深圳先進院研發出基于不溶性有機負極的鎂基雙離子電池
近日，中國科學院深圳先進技術研究院集成所功能薄膜材料研究中心唐永炳研究員及其研究團隊成功研發出了一種基于不溶性有機負極材料的鎂基雙離子電池。相關研究成果"Highly stable magnesium-ion-based dual-ion batteries based on insoluble small-molecule organic anode material"已在線發表于國際著名能源材料期刊Energy Storage Materials（DOI: 10.1016/j.ensm.2020.04.025, CiteScore: 15.09）上。
近年來，鋰離子電池已廣泛應用于消費類電子設備、新能源汽車及儲能等領域。然而，由于鋰資源儲量有限且分布不均，難以滿足未來社會對大規模儲能的低成本要求。鎂離子電池由于具有高容量、儲量豐富等優勢，在大規模儲能領域具有良好的應用前景。然而，金屬鎂負極在有機電解液中易發生鈍化，導致鎂離子不能可逆沉積/溶解，此外尚缺乏可逆脫嵌鎂離子的正極材料，使得鎂電的發展受到制約。與傳統的無機電極材料相比，有機電極材料由于其官能團與離子之間的溫和氧化還原反應，表現出極具潛力的儲鎂能力。同時，如能結合雙離子電池的工作機制，利用陰離子插層石墨正極的高反應電位（>4.5V vs Li+/Li）和快速的陰離子擴散動力學，將極大提高鎂離子電池的工作電壓及電化學性能。
鑒于此，唐永炳研究員及其團隊成員雷新、張帆、鄭勇平等人研發出了一種新型的鎂基雙離子電池（Mg-DIB），采用3,4,9,10-苝四羧酸二酰亞胺（PTCDI）小分子有機材料作為負極，膨脹石墨（EG）作為正極，含有鎂鹽的離子液體作為電解液。結果表明，Mg-DIB具有優異的倍率性能和循環性能，20C的高倍率充放電容量保持率為85%，在5C倍率下循環500次后的容量保持率為95.7％。通過原位FTIR等表征測試及理論計算分析表明，PTCDI儲鎂機制主要源于其三重配位機理以及嵌鎂過程中氫鍵的形成，并且這種有機小分子具有良好的不溶性和結構穩定性，從而顯著提高Mg-DIB的循環穩定性。該工作為發展新型鎂離子電池電極材料及器件提供了新的思路。
該項研究得到了國家自然科學基金、廣東省科技計劃項目、深圳市科技計劃項目等項目的資助。
圖（a）PTCDI有機負極的嵌鎂/脫鎂機理圖。（b）基于PTCDI負極和EG正極的Mg-DIB在5C下的長循環性能圖。
