Page 55 - 《精细化工》2023年第8期

第 8 期 丁 波，等: 可充镁离子电池研究发展现状 ·1669·

2 可充镁离子电池研究现状 究提供参考。目前，研究较多的正极材料主要包括
嵌入型的正极、转换型正极和有机物正极材料，而
目前，可充镁离子电池多采用金属镁为负极，
电解质的研究多集中在液态电解质和固态电解质方
而发展高性能正极材料和电解液依旧是亟待解决的 [19]
面 。根据文献收集整理，将这两方面的关键材料
问题。因此，本文主要从这两方面入手，对其研究
进行了总结归纳，如图 3 所示。
现状进行归纳总结，可为可充镁离子电池进一步研

图 3 MIBs 关键材料概述 [19]
Fig. 3 An overview of key materials for MIBs [19]

2.1 正极材料 力（8 mA·h/g），单独在电解液或电极中引入水对其
2.1.1 嵌入型正极材料 储镁性能提升也不明显。然而，同时在电解液和晶
可充镁离子电池中正极材料是保证电池性能的 格中引入水，能激活并大幅度提升 VOPO 4 层状材料
关键材料之一 [19] ，理想的正极材料应具备：（1）高工 的储镁比容量（89 mA·h/g）和电化学反应电位，改
2+
作电压和比容量；（2）Mg 良好的脱嵌可逆性；（3） 善动力学特性。通过计算反应相图发现，不同水活
良好的循环稳定性。正极材料由于具有电负性好、腐 度（α H 2 O ）的电解液中，VOPO 4 中晶格水能与电解
蚀速率稳定和比容量高等特点，在理论研究和实际应 液中的水发生交换并达到平衡，改变电化学相变反
用上引起学者的广泛关注 [20] 。尤其是正极嵌入型材料 应路径和电化学平衡电位（如图 5a 所示）。水活度在
2+
2+
–2
的研究相对较多。由于 Mg 与正极材料氧化物中正 1×10 μg/L 以上的电解液能确保 Mg 和水分子稳定
负离子的强相互作用，其在宿主材料中的扩散动力 共嵌入电极，发生稳定的相变反应 VOPO 4 •2H 2 O→
学异常迟缓。近年来，研究人员采用扩展层间距、 Mg 0.5 VOPO 4 •2H 2 O→MgVOPO 4 •2H 2 O（如图 5b 所
2+
引入小分子溶剂/阴离子屏蔽 Mg 电荷等策略来提 示），因而降低了界面去溶剂化能和晶格中离子扩散
高正极材料的动力学 [21-22] 。ZHOU 等 [21] 通过密度泛 势垒（0.48 eV），使 VOPO 4 的储镁比容量得到充分
函理论（DFT），对层间距扩展的 VOPO 4 纳米层正 体现。其中，μ Mg 为 Mg 的化学势。
2+
极材料进行计算。与 Mg 相比，其电极反应随 MgCl +
迁移能垒的降低而降低（如图 4 所示）；这是基于调
节层间距离控制阳离子嵌入，通过苯胺与晶格水分
子的置换，获得层间距为 1.42 nm 的二维 VOPO 4 纳米
+
层结构（简称 PA-VOPO 4 ），为嵌入离子（MgCl ）
提供足够的扩散空间；电化学性能分析表明，在 0.1
A/g 的电流密度下，对比水热法制备的 VOPO 4•2H 2O
（简称 OH-VOPO 4）循环性能，PA-VOPO 4 正极材料
经 500 次循环后，依然保持 192 mA·h/g 的可逆比容
量，表现出优异的循环稳定性。
JI 等 [22] 对以水活化 VOPO 4 纳米片为高性能储
镁正极材料的研究进行了报道。通过电化学表征与

第一性原理计算相结合的方法，研究了水分子对层
图 4 苯胺插层 VOPO 4 纳米片充放电性能（a）及相应储
状材料 VOPO 4 作为可充镁离子电池正极材料电化
镁结构变化示意图（b） [21]
学过程中的影响，并讨论了其中的物理化学机制。
Fig. 4 Charge-discharge performances (a) and magnesium
结果表明，VOPO 4 在有机溶剂中几乎不具备储镁能 storage properties (b) of PA-VOPO 4 nanosheets [21]