上海交通大学在可充放镁离子电池领域取得重要进展

近日，上海交通大学材料科学与工程学院轻合金精密成型国家工程研究中心邹建新教授课题组与美国密西根大学Laine教授合作在可充镁离子电池领域取得重要研究进展。相关成果以“Using CoS cathode materials with 3D hierarchical porosity and an ionic liquid (IL) as an electrolyte additive for high capacity rechargeable magnesium batteries”为题，发表在能源类国际顶级期刊Journal of Materials Chemistry A（IF=10.733）上，并入选该期刊封底（图1）。该工作阐明了分级多孔的CoS正极材料和离子液体电解液添加剂，可协同活化电池充放电过程，增强充放电容量，从而实现高容量可逆的镁二次电池。

通过非原位XRD、XPS、HRTEM技术对电池的充放电机理进行了深入研究，首次发现CoS在镁电池充放电过程的相转变，且表明离子液体的引入有助于改变CoS和镁转化的热力学和动力学性质，这对理解电池的充放电活化过程和充放电容量的增强有着重要的意义。

图2 三维分级多孔硫化钴显微结构

镁二次电池被认为是一类应用前景广阔的新型绿色电源，主要由于镁负极容量高（质量容量：2205 mAh g-1；体积容量：3833 mAh cm-3）、还原电位低（-2.37 V vs. SHE）、储量丰富以及安全性高。针对高容量可逆镁离子电池的设计，邹建新教授提出了两条新颖的思路：第一、设计三维分级多孔的硫化钴（CoS）微米球（图2），该微米球孔容大（0.227 cc/g）、比表面积可观（27 m2/g）、结构灵活性高；第二、以离子液体作为电解液添加剂，促使硫化钴充放电过程的相转变，改变CoS和镁转化的热力学和动力学性质，从而活化充放电过程，扩增充放电容量。因此，利用这种三维分级多孔CoS正极材料和离子液体电解液添加剂可协同实现高的放电容量（高达370 mAh g-1）、良好的循环性能（经88圈后仍可达~340 mAh g-1）以及可观的倍率性能（在50 mA g-1电流密度下可达~300 mAh g-1）。最后通过非原位XRD、XPS以及HRTEM技术对CoS充放电过程的机理进行深入研究，发现CoS在放电过程中发生相转变，生成了Co9S8（图3）。因此，他们认为该相转变过程很可能是引起电池性能活化和提升的内在原因。

图3 三维分级多孔CoS在POC-0.2IL电解液中的充放电机理研究

本论文第一作者为上海交通大学博士后潘明光，通讯作者是邹建新教授和Laine教授。该研究成果得到了国家自然科学基金（51771112）、上海市教委“曙光学者”项目（16SG08）、中国教育部“111”项目（B16032）以及中国博士后科学基金（2017M621476）。

原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta05233j