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镁离子电池纳米结构SnSb合金电极,强化镁离子可逆化存取
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自2014年初波音梦想航班锂电池起火一事,我们便开始忌惮锂离子电池的基本安全性了。随即我们便将目光投向镁离子电池。

镁基电化学可充电电池凭借其独特的特性及优势,表现出超常的动态和静态能量储存能力,引起了广泛的关注。锂极容易被空气氧化,可用性不足,相对而言镁则更安全,且地壳中资源非常丰富。更重要的是镁的电沉积通常不会形成树枝状结构,并且在合适的电解液中,库伦效率接近100%,这与锂和钠的电化学行为形成巨大的差异。如此优越的特性表明二价镁离子作为载荷子既廉价,又安全,而且还有着高能量密度,可作为下一代电池体系的合适选材。

然而,制造合适耐久的镁离子电池电极依然是一个不小的挑战。最近能源部太平洋西北国家实验室的专家们发现,SnSb合金有望解决镁离子电池的现存问题。该合金作为镁离子电池电极材料能够提供理论上768mAh-1g-1的电容量。研究者们在透射电镜下观察该合金,考察其内部机制,找寻电极制作的合适途径,以便提升续航能力。

以下是图文详解:

图一:原始SnSb,磁化SnSb和去磁化SnSb X射线衍射图样

图二:透射电镜图。A)原始SnSb,B)磁化SnSb和 C)去磁化SnSb。

图三:0.4M APC SnSb合金电化学数据A)原始CV扫描数据(0.05 mV s −1 )显示氧化还原峰增加B)三轮充放电循环后表现出极化效应(−80 mV vs Mg, 50 mA g −1 )。

图四:磁化(A–E)和去磁化(F–I)电极STEM特征描述。A,F)EDS光谱采集前微粒STEM图;B,G)STEM图红色框部分同一时刻探测强度图谱;C–E,H,I)镁(C,H),锡(D,I, 黄色部分),锑(E,I, 红色部分)EDS基本强度图。(I)中锡锑EDS图已覆盖,以此强调(H)图中镁元素区与相分离区之间的联系。镁元素图用蓝色标示,深蓝色表示低强度,浅蓝色表示高强度。

图五:SnSb粒子与镁离子电化学反应机制。原始SnSb粒子在电化学过程中破裂、相分离,活性SnSb合金可逆镁离子存储。

图六:去磁化Mg2Sn和Mg2Sn/Mg3Sb2合金DFT协同性。A)去磁化Mg2Sn电压值(内嵌图表示关联性结构转变);B)Mg2Sn/Mg3Sb2富锡区去磁化使富锡副体系变得有序。锡,镁,锑原子分别以灰色、绿色和金色表示。

图七:镁的加入和提取对SnSb和Sn电化学行为的影响对比:A)0.05 mVs−1时电压图;B)50 mAg−1时充放电电压 ; C)不同电流密度(mAg−1)时SnSb特定电容量;D)500 mAg−1时SnSb循环稳定性。

图八:A)充放电对比(第二轮循环, C/10级);B)阳极SnSb材料和阴极Mo6S8材料集成电池循环稳定性对比。电池A电解液采用0.5 M二甘醇二甲醚Mg(N(SO 2 CF 3 ) 2 ) 2,电池B电解液采用0.4 M APC。

小结

该研究为合金合成及对能源技术有益的完全不同结构的相分离材料制作提供了重要的信息。

材料牛编辑小雨整理。