李桂村、张忠华等在可充电镁电池电解液领域取得新进展

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凭借丰富的资源优势、潜在的高体积能量密度和相对安全性等特点，可充电镁电池被认为是具有广阔发展前景的电化学储能器件。然而，缺乏高效的镁电解液仍然是限制可充电镁电池迅速发展的关键问题。双（三氟甲基磺酰亚胺）镁[Mg(TFSI)2]和多齿醚溶剂（如二乙二醇二甲醚，简写为“G2”）组成的电解液具备高离子电导率、宽电化学窗口、优良的热稳定性等优点，但是金属镁负极在该电解液中的电化学沉积/溶解性能（过电势、效率和寿命等）仍然不能满足要求。此外，电解液溶液中镁盐的解离化学过程、镁离子与溶剂的配位关系仍不明晰，这也成为了当前镁电解液配方设计的主要障碍。
        考虑到有机胺溶剂比多齿醚溶剂对镁离子更强的配位作用，学院李桂村教授、张忠华副教授联合中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员提出了醚/胺共溶剂策略，提升了金属镁负极在Mg(TFSI)2基电解液中的电化学Mg沉积/溶解可逆性，并揭示了醚/胺共溶剂的协同配位和痕量离子化过程对镁电解液中活性离子的调控机制。
        研究结果表明：1）3-二甲胺基丙胺（DMAPA）可以取代G2并与镁离子配位形成独特的二价[Mg(DMAPA)6]2+活性离子结构，该结构与原物种结构（如[Mg(G2)2]2+、[Mg(G2)(TFSI–)]+等）相比，可以避免G2和TFSI阴离子在金属镁负极界面的分解，进而抑制镁负极被分解产物所钝化；2）DMAPA可以与电解液中痕量水发生水解反应（R-NH2+H2O⇌R-NH3++OH–，这里R-=(CH3)2N(CH2)3-），也可能存在自身的电离反应（R-NH2⇌R-NH3++ R-NH–），所形成的胺基阳离子可与G2进行质子交换反应（G2+ R-NH3+⇌(G2)H++ R-NH2），上述胺基阳离子（R-NH3+）和质子化醚阳离子（(G2)H+）可以与TFSI阴离子缔合，形成中性[(R-NH3+)(TFSI–)]0和[(G2)H+(TFSI–)]0，这些物种的生成避免了TFSI阴离子被输运到电极界面和被电化学分解的过程，减轻了金属镁负极的界面钝化问题；3）由于质子化溶剂离子的存在，电沉积产物中生成了MgH2物相，该物相与金属镁的界面结构有助于镁离子在界面的快速扩散。电化学数据也证实了醚/胺共溶剂电解液中金属镁负极具有更优异的电化学沉积/溶解性能。

图 醚/胺共溶剂电解液中的协同配位和痕量离子化过程示意图

       上述相关研究内容以“Synergy of coordination and trace ionization from co-solvents enables reversible magnesium electroplating/stripping behavior”为题，发表在材料科学领域top期刊Energy & Environmental Science（IF：32.5）上（DOI：https://doi.org/10.1039/D3EE02450D），该工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、青岛新能源山东省实验室开放课题和南开大学先进能源材料化学教育部重点实验室开放课题等项目的资助。青岛科技大学为第一署名单位，材料学院2023级研究生汪敏为论文第一作者。
        论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ee/d3ee02450d
         文章来源：青岛科技大学
      李桂村，现为青岛科技大学教授、博士研究生导师、九三学社社员、中国化工学会化工新材料委员会会员、材料科学与工程学院副院长。自2000年留校从事科研与教学工作以来，以严谨的科学态度和务实的工作作风，在科研、教学和学科建设工作中做出了突出成绩。曾担任材料物理教研室主任、新能源材料与器件教研室主任。2010年入选“青岛市拔尖人才”，2012年入选“山东省第三届优秀研究生指导教师”，2015年入选“山东省有突出贡献的中青年专家”。
       张忠华，青岛科技大学副教授。自2011年至今一直从事于新型电化学储能期间领域的研究工作，针对高能量密度可充镁电池电解质及电池体系等方面开展学术研究。学术研究期间涉及大量的材料合成、材料表征以及性能的测试等，在二次电池及超级电容器等电化学领域积累了丰富的知识、经验和基础理论。研究成果方面，以第一作者和通讯作者在Energy Environ. Sci.（影响因子30.067，共同第一作者），Adv. Energy Mater.（影响因子21.875），Adv. Funct. Mater.（影响因子13.325），Small Methods（Wiley新刊）和J. Mater. Chem. A（影响因子9.931）等国际期刊发表SCI论文10篇，以第二作者及其他作者发表论文10余篇。主持山东省自然科学基金博士基金一项。