加速推动耐高温高安全电池体系发展，中国学者研发自支撑聚合物电解质系统，实现镁电池150℃下工作

公众号新闻

2022-11-10 10:11

当下，在动力电池和大规模储能等领域，以锂离子电池为代表的储能系统已经得到了广泛的应用。但是，目前的锂离子电池技术仍然面临成本高、安全性差、锂元素原料供应有限等严峻挑战。

那么，谁将可能成为下一代电池呢？镁金属电池因其高安全性、低成本、原料来源丰富和体积能量密度高（3833Ah/L）等优点，而成为下一代电池的重要选择。

从应用角度看，镁金属电池在低速电动车、规模储能等领域的应用潜力巨大。同时，镁金属电池因具备优异的宽温区工作性能在航空航天、极地科考、地质勘探等极端条件下极具应用价值。

图丨崔光磊研究员在实验室（来源：崔光磊）

近期，中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称“青岛能源所”）与青岛科技大学等团队合作，研发了一种自支撑单离子导体聚合物电解质体系，该体系支持电池可在高达 150℃ 条件下工作，有效地推动了高温、高安全电池体系的发展。

此外，目前镁电池中所用的隔膜主要为玻璃纤维，缺乏柔性且成本较高，很难大规模制造。而该研究中开发的耐高温镁电池电解质是一种自支撑的聚合物膜，不仅柔性强，还可以利用现有设备通过 “Roll-to-Roll” 技术连续大规模生产，具有明显的成本优势。

审稿人对该研究评价道：“该研究报道了一种新颖的自支撑单离子导体镁聚合物电解质，该电解质具有很高的镁离子迁移数和安全性，极大拓展了镁电解质的应用范围。”

图丨相关论文（来源：Advanced Energy Materials）

前不久，相关论文以《坚韧的自支撑单离子聚合物电解质实现镁电池高温下的安全运行》（Robust Self-Standing Single-Ion Polymer Electrolytes Enabling High-Safety Magnesium Batteries at Elevated Temperature）为题发表在 Advanced Energy Materials 上[1]。

青岛能源所的葛雪松助理研究员、宋富辰硕士和杜奥冰博士后为论文的共同第一作者，青岛能源所崔光磊研究员、青岛科技大学周新红教授为论文的共同通讯作者。

首次实现镁金属电池在 150℃ 高温下的稳定充放电循环

崔光磊表示：“该研究最重要的突破是制备了一种自支撑单离子导体聚合物电解质，并首次实现了镁金属电池在 150℃ 高温下的稳定充放电循环。”

图丨自支撑单离子导体镁聚合物电解质（来源：该团队）

该研究历时两年多时间，在研究过程中最大的难点是如何实现离子电导率、镁离子迁移数、机械性能、化学和电化学稳定性、热稳定性等多个方面的平衡和统一。

这种自支撑聚合物电解质的优势最主要表现在电化学稳定性高，它的电化学窗口能达到 4.8V（vs. Mg/Mg2+），较高的氧化稳定性保证了该电解质可以和高电压正极匹配。

为了获得较高的镁离子迁移数，研究人员设计了一种聚合物镁盐的结构，通过将阴离子限制在聚合物骨架上，提高镁离子的迁移数。

正是得益于类单离子导体结构的设计，使自支撑聚合物电解质中镁离子迁移数高达 0.79，比常规液态电解液的相关数据高出许多。“较高的迁移数可以降低电极界面的极化，有利于减少副反应的发生。”崔光磊说。

图丨自支撑单离子导体聚合物膜的制备（来源：Advanced Energy Materials）

随后，他们又在聚合物结构中引入交联点，通过交联作用来提高电解质膜的力学性能，以此获得了优异的机械性能。根据相关实验结果，研究人员发现所组装的镁金属电池可保持稳定的长循环，并且循环后的镁负极表面未发现明显的不均匀沉积等现象。

此外，他们还选用了比烷基镁稳定性更高的烷氧基镁结构，通过这样的方式来提高电解质的负极兼容性和热稳定性。

由自支撑聚合物电解质所组装电池的工作温度范围在 30℃ 至 150℃。根据实验数据，所组装的扣式电池在 30℃ 条件下以 0.5C 倍率循环 200 圈后的容量保持率为 92%；所组装的软包电池在 30℃ 条件下以 0.3C 倍率循环 100 圈后的容量保持率为 84%。

图丨电池的充放电性能测试（来源：Advanced Energy Materials）

葛雪松分享道：“虽然有很多技术难题，但当我们组装的镁电池在 150℃ 高温下实现了稳定循环，以及团队组装的镁软包电池在剪角、穿钉等滥用条件下依然可以稳定工作时，做科研的成就感油然而生，这也激励着我们继续探索。”

或将应用于地下资源勘探和太空探索等领域

一般来说，当前商用的锂离子电池在工作温度超过 80℃ 时，就会出现不同的故障问题，例如明显的性能下降、热失控和爆炸，甚至还可能会引发严重安全事故。

而镁的熔点在 651℃，并且其化学稳定性强、生长枝晶可能性小、成本低，因此其安全性高、耐高温的优势也日渐明显。而解锁耐高温镁电池的“钥匙”，便是研发耐高温的电解质体系。

特别是近年来，人们对太空探索和地下资源勘探需求与日俱增，镁金属电池在耐高温（>100℃）、高安全的特种电池领域具有重要应用潜力。

图丨安全性能测试（来源：Advanced Energy Materials）

然而，如果采用常规的液态镁电池电解液，因其大多选用低沸点的醚类溶剂作为电解液的主要成分，存在易燃、易爆等安全隐患，且只能在室温范围内工作，这些因素都限制了其产业化发展。

而该研究中的自支撑耐高温镁电池聚合物电解质体系使相关问题“迎刃而解”，实现了镁金属电池在 150℃ 高温下的稳定充放电循环，极大地拓展了镁电解质的应用范围。

崔光磊指出，热稳定性高、阻燃性好以及较宽的工作温区等优势，有望使该电池未来应用于地下资源勘探和太空探索等特种领域。

图丨自支撑聚合物电解质导镁性能及电化学稳定性（来源：Advanced Energy Materials）

实际上，在很早之前，镁电池就已经在多种军用设备上作为储备电源使用，但基本都是一次电池。

人们将那些用金属镁做负极的可充电电池称为“镁金属二次电池”，目前，镁金属二次电池的商业化应用尚在初级阶段。崔光磊认为，要想实现镁金属二次电池的大规模应用，需要更深入、更系统地研究并积累经验，尤其是在高性能电解质和正极材料开发等方面。

谈及镁金属二次电池需要提升的技术问题，他表示，其电解质方面需要进一步提高安全性和室温离子电导率，正极材料方面需要提高放电电压和循环稳定性。

固态电池技术或将实现全面商业化，推动电池领域的技术革命

崔光磊是青岛能源所研究员，国家杰出青年科学基金获得者，国家重点研发计划新能源汽车专项高比能固态锂电池技术项目首席科学家，中科院深海智能技术先导专项能源项目负责人，主要从事高比能固态电池关键材料和系统研发。

他博士毕业于中国科学院化学研究所，随后他在德国马普固态研究所担任项目骨干，并在德国马普高分子研究所从事博后研究。

图丨崔光磊团队的部分镁电池相关科研进展（来源：该团队）

为解决镁电池领域的核心科研难题，崔光磊带领团队进行了系列工作，目前，该团队在镁金属二次电池高性能电解质的开发、负极界面的优化、转化型储镁正极的探索等方面都取得了系列重要进展。

他们开发了一系列高性能有机硼酸基镁电解液，以硼为中心的大阴离子镁盐具有非亲核特性，可以匹配高比容量的硫正极[2,3]。并且，还开发出可在宽温区（-20℃ 至 60℃）内工作的硼酸基凝胶聚合物镁电解质[4]。

此外，他们还解决了镁金属二次电池在制作工艺中的核心技术难题，实现了正极、电解质等关键材料的批量试制，并开发出能量密度高达 560Wh/kg 的单体电芯。据悉，相关技术正与企业合作、开展产业化研究和应用示范。

图丨崔光磊团队（来源：该团队）

崔光磊带领团队主要围绕高比能固态电池关键材料和系统展开研究。他们致力于提高固态电解质的室温离子电导率，改善固态电解质和电极间的界面，并积极推动固态电池的产业化发展。

谈及固态电池技术的未来，崔光磊表示：“目前，中国的储能技术已经处于国际领先水平，未来几年以聚合物固态电池和硫化物固态电池为代表的固态电池技术，将会实现全面商业化、推动电池领域的技术革命。”

参考资料：

1.Xuesong Ge, Fuchen Song，Aobing Du et al. Robust Self-Standing Single-Ion Polymer Electrolytes Enabling High-Safety Magnesium Batteries at Elevated Temperature. Advanced Energy Materials 2201464(2022). https://doi.org/10.1002/aenm.202201464

2.Zhonghua Zhang et al. Advanced Energy Materials 7(11): 1602055 (2017).

https://doi.org/10.1002/aenm.201602055

3.Aobing Du et al. Energy & Environmental Science 10(12): 2616-2625(2017).

4.Aobing Du et al. Advanced Materials 31(11): 1805930(2019).

https://doi.org/10.1002/adma.201805930

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来源: qq

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