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新型可充电镁-溴电池
镁金属被视为下一代能量存储系统负极材料的极佳选择，其优越性主要来自于其两倍于锂金属的体积能量密度、非枝晶沉积所带来的安全性以及廉价属性。但长期以来，由于镁离子在固态中扩散难度较大，传统嵌入式正极材料对镁离子的存储容量偏低并且循环性能较差，制约了镁金属电池的发展。来自Boston College化学系的王敦伟教授(点击查看介绍)研究组突破了这种来自于固态正极的限制，创新性地实现了可溶性的Br3-/Br-转换正极与镁金属负极的匹配，成功地展示了镁-溴电池的潜力, 测得此电池体系平衡开路电压为3.0 V，并可实现275 mAh/gMgBr2 放电容量 （理论值为298mAh/gMgBr2）， >96%的库仑效率及20次以上的可逆充-放电循环。
传统溴正极的使用被局限于水溶液中，使其无法与低电势金属负极（如锂、镁等）组合使用，只能与锌、氢气等负极组合，限制了电池的输出电压（< 1.2 V）。近年来，随着锂离子固态电解质的发展，高电压的锂-溴电池得以以有机相-固态电解质-水相混合电解质的形式得以实现。然而对于镁-溴电池，受限于室温镁离子固态电解质的匮乏，同样的方法难以适用，非水相溶剂成为容纳溴正极的不二选择。
经过筛选，离子液体（PYR14TFSI，1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide）展示出了对溴最高的相容性。并且由于在此体系中，Br3- 拥有极高的平衡常数（K > 106），当Br- 离子趋于浓度饱和时，溶液中自由态Br2的浓度变低，进一步降低了溴的挥发性并提高了电解液系统的稳定性。与之相匹配，镁金属负极采用了混合醚作为电解液（0.1M Mg(TFSI)2 in Monoglyme and Diglyme 1:1）并通过多孔玻璃隔膜与正极电解液联通实现离子交换，最终实现了可充电的非水相镁-溴电池。此电池体系实现了镁金属负极和转换式溴正极的结合，避免了镁离子在固态中扩散的动力学难题，从而能够承受较大的充放电电流，有望在对低电极成本和高安全性要求能量存储领域中获得应用。对于此电池体系的优化仍在持续进行以进一步提高循环性及循环效率。
这一成果近期发表在《Nano Energy》上，文章第一作者为Boston College化学系博士研究生要夏晖，通讯作者为王敦伟教授。
该论文作者为：Xiahui Yao, Jingru Luo, Qi Dong, Dunwei Wang
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A Rechargeable Non-Aqueous Mg-Br2 Battery
Nano Energy, 2016, 28, 440-446, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.09.003
导师介绍
王敦伟教授
http://www.x-mol.com/university/faculty/2156