??近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心鄒建新教授課題組與美國(guó)密西根大學(xué)Laine教授合作在可充鎂離子電池領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。相關(guān)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”為題，發(fā)表在能源類國(guó)際頂級(jí)期刊Journal of Materials Chemistry A（IF=10.733）上，并入選該期刊封底（圖1）。該工作闡明了分級(jí)多孔的CoS正極材料和離子液體電解液添加劑，可協(xié)同活化電池充放電過(guò)程，增強(qiáng)充放電容量，從而實(shí)現(xiàn)高容量可逆的鎂二次電池。

通過(guò)非原位XRD、XPS、HRTEM技術(shù)對(duì)電池的充放電機(jī)理進(jìn)行了深入研究，首次發(fā)現(xiàn)CoS在鎂電池充放電過(guò)程的相轉(zhuǎn)變，且表明離子液體的引入有助于改變CoS和鎂轉(zhuǎn)化的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，這對(duì)理解電池的充放電活化過(guò)程和充放電容量的增強(qiáng)有著重要的意義。

圖2 三維分級(jí)多孔硫化鈷顯微結(jié)構(gòu)

鎂二次電池被認(rèn)為是一類應(yīng)用前景廣闊的新型綠色電源，主要由于鎂負(fù)極容量高（質(zhì)量容量：2205 mAh g-1；體積容量：3833 mAh cm-3）、還原電位低（-2.37 V vs. SHE）、儲(chǔ)量豐富以及安全性高。針對(duì)高容量可逆鎂離子電池的設(shè)計(jì)，鄒建新教授提出了兩條新穎的思路：第一、設(shè)計(jì)三維分級(jí)多孔的硫化鈷（CoS）微米球（圖2），該微米球孔容大（0.227 cc/g）、比表面積可觀（27 m2/g）、結(jié)構(gòu)靈活性高；第二、以離子液體作為電解液添加劑，促使硫化鈷充放電過(guò)程的相轉(zhuǎn)變，改變CoS和鎂轉(zhuǎn)化的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，從而活化充放電過(guò)程，擴(kuò)增充放電容量。因此，利用這種三維分級(jí)多孔CoS正極材料和離子液體電解液添加劑可協(xié)同實(shí)現(xiàn)高的放電容量（高達(dá)370 mAh g-1）、良好的循環(huán)性能（經(jīng)88圈后仍可達(dá)~340 mAh g-1）以及可觀的倍率性能（在50 mA g-1電流密度下可達(dá)~300 mAh g-1）。最后通過(guò)非原位XRD、XPS以及HRTEM技術(shù)對(duì)CoS充放電過(guò)程的機(jī)理進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)CoS在放電過(guò)程中發(fā)生相轉(zhuǎn)變，生成了Co9S8（圖3）。因此，他們認(rèn)為該相轉(zhuǎn)變過(guò)程很可能是引起電池性能活化和提升的內(nèi)在原因。

圖3 三維分級(jí)多孔CoS在POC-0.2IL電解液中的充放電機(jī)理研究

本論文第一作者為上海交通大學(xué)博士后潘明光，通訊作者是鄒建新教授和Laine教授。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51771112）、上海市教委“曙光學(xué)者”項(xiàng)目（16SG08）、中國(guó)教育部“111”項(xiàng)目（B16032）以及中國(guó)博士后科學(xué)基金（2017M621476）。

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