原位同步辐射粉末衍射和原位X射线吸收谱对于α-V2O5作为镁离子电池正极材料的机理研究

近日，卡尔斯鲁厄理工学院的Helmut Ehrenberg教授（点击查看介绍）团队通过原位同步辐射粉末衍射和原位X射线吸收谱对镁离子插入α-V₂O₅正极材料的机理进行了详细的研究。

由于镁资源丰富、价格低廉以及理论体积容量和安全性能高，镁离子电池被认为是一种非常有前景的锂离子电池的替代者，从而实现在大规模储能方面的应用。但是镁离子电池本身也存在一些根本性的问题：（1）缺少具有高电压、高性能、低腐蚀性的电解液，由于镁离子本身电荷密度大和更高的迁移障碍，导致在晶格中嵌入扩散缓慢，致使可以使用的镁离子插入正极材料数量受到了很大的限制。镁离子插入正极材料的插入性能可以通过使用纳米材料，开放式结构或者层状结构的材料在一定程度上得到改善。

V₂O₅作为一种非常典型的层状材料具有很大的间隙空位储存外来的离子，比如锂离子、钾离子、钠离子和镁离子。在过去的十多年间，人们已经对V₂O₅作为正极材料进行了许多研究。然而，到目前为止，在纯镁离子电池中其容量和电化学性能仍然十分有限。同时，对于在充放电过程中，镁离子的插入引起的V₂O₅的结构变化的详细分析尚不清楚。

本文分别采用两种策略来实现镁离子插入V₂O₅的电化学能力和探究电化学机理：（1）制备纳米材料，因为纳米材料可以为离子的插入提供更短的扩散路径以及更大的比表面积，从而有效提高材料的电化学性能。（2）使用一种特殊的电池结构V₂O₅∣Mg(ClO₄)₂/AN∣Mg_xMo₆S₈ (x ≈ 2)，由于未使用镁金属负极，这样的设计可以避免镁金属和选择的“标准”电解液不兼容的问题，从而避免了钝化膜的生成。同时没有采用高腐蚀性的APC电解液(Aurbach)也可以避免在高电压下（＞2 V）不锈钢集流体和不锈钢电池壳的腐蚀。

原位同步辐射图谱结果表明，镁离子的插入导致新相ε-Mg_0.6V₂O₅的生成，且其过程是可逆的。原位X射线吸收谱表明在镁离子插入过程中V被还原，且在镁离子脱出过程V被氧化的可逆性。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者和通讯联系人是卡尔斯鲁厄理工学院的博士研究生付强。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

In Operando Synchrotron Diffraction and in Operando X-ray Absorption Spectroscopy Investigations of Orthorhombic V₂O₅ Nanowires as Cathode Materials for Mg-Ion Batteries

Qiang Fu, Angelina Sarapulova, Vanessa Trouillet, Lihua Zhu, Francois Fauth, Stefan Mangold, Edmund Welter, Sylvio Indris , Michael Knapp, Sonia Dsoke, Natalia Bramnik, Helmut Ehrenberg

J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 2305, DOI: 10.1021/jacs.8b08998

导师介绍

Helmut Ehrenberg

https://www.x-mol.com/university/faculty/62194