镁硫电池中一种具有非亲核特性的高效有机硼酸镁基电解质

tugang

       镁元素和硫元素的双电子转移化学为镁硫电池实现更高的能量密度提供了可能性，且地球上镁元素和硫元素的丰富含量使得其具有更低的成本（比锂便宜约30倍）。但同时，如何发展一种能够高效且可反复电镀和剥离镁的非亲核镁电解质被认为是实现这种二价电池技术的主要障碍。

       2017年11月16日，中科院青岛生物能源与过程研究所的崔光磊课题组创新性引入[Mg4Cl6(DME)6]2+ 作为四核阳离子络合物，[B(HFP)4]-作为阴离子并通过一步原位合成了一种新型有机硼酸镁基电解质。使用四核的[Mg4Cl6(DME)6]2+代替单核的[Mg(DME)3]2+显著提高了电镀过程中的离子电导率和过电位等参数。这一可逆的Mg/S电池能够实现在100次充放电循环过程中无显著的容量下降，且最大充电倍率达到了500mA/g。该研究成果以题为An efficient organic magnesium borate-based electrolyte with non-nucleophilic characteristics for magnesium–sulfur battery 发表于Energy & Environmental Science杂志。
       该课题组研究人员利用[B(HFP)3], MgCl2和Mg粉末在1,2-二甲氧基乙烷中通过原位反应制备得到了以[B(HFP)4]-为阴离子，[Mg4Cl6(DME)6]2+为阳离子的硼酸镁基电解质。并采用了核磁共振、质谱以及单晶XRD方法对上述溶液进行了表征。这种镁离子电解质表现出前所未有的Mg电镀和剥落性能：高达3.3V的负极稳定性（Mg/Mg2+）、高达5.58 mS /cm的离子传输速率、电镀过程中仅为0.11V的过电压、超过98%的库伦效率。由于这种电解质非亲核机理的存在，这种完全可逆的Mg/S电池具有极低的过电压，仅为0.3V；且高达1247 mAh/g的放电容量；取得了大约为1200 W·h/kg（高于谢夫尔基准的10倍）的比能。
      同时，以新型硼酸镁基电解质，选取了硫的质量分数为80%，硫负荷为1.5mg/cm2的硫-碳纳米管为负极，该研究人员构建了镁/硫电池，并探索了这一电池的相关性能。 由于硼酸镁基电解质与硫基负极的完美相容性，可以使镁/硫电池实现高的能量密度，且在100次充放电循环中能够达到高于1000 mAh/g的稳定的放电容量。
      硼酸镁基电解质与基于格林纳尔化学的电解质相比具有很大提高，且与基于HMDS和基于单碳硼烷的镁电解质相比，简单的合成方法和优异的电池性能也是硼酸镁基电解质很大的优势。这一研究成果可以有效地促进高能量密度Mg/S电池的研发，并可以作为将Mg/S电池推向应用至关重要的一步。