全固态电池Mg(BH4)2电极材料的研究

北京飞驰

2024/07/25 15:23

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在追求更高能量密度、更安全的未来能源解决方案的道路上，全固态锂电池成为了科研界的宠儿。这些电池依赖于固体电解质与电极间的界面接触和低阻抗，而复杂氢化物作为新型固态电解质材料正逐渐崭露头角。全固态电池的发展需解决大容量和降低固态电解质/电极界面间电阻的问题。近期，“复杂氢化物”作为一种有潜力的固态电解质受到关注，以应对这一挑战。

01 活性材料Mg(BH₄)₂

研究聚焦Mg(BH₄)₂，将其作为全固态可充电锂电池的转换型负极活性材料。Mg(BH₄)₂先前已被报道为常用的锂离子电池负极材料，它可与锂离子发生反应，可获得992mAh/g到3970mAh/g不等的理论比容量。

02 LiBH4的自生成效应

根据反应公式(4)，预期会生成LiBH₄，这是一种锂离子导体，有助于提升电极性能且减轻固态电池中因添加固态电解质而带来的能量密度损失。在固态电池中，除了电极中的活性材料外，还需要包括几乎相同重量的固体电解质，这是提高固态电池能量密度的主要障碍。然而，如果Mg(BH₄)₂根据反应式（4）自行产生离子导体LiBH₄，则Mg(BH₃)₂阳极应不受阻碍。此外，另一种放电产物镁金属应该有助于降低界面电阻。为了证实LiBH4的自发电效应，我们比较了有/没有LiBH₄的情况下Mg(BH₄)₂的阳极性能。

03 实验验证

实验中，通过调整Mg(BH₄)₂、AB以及LiBH₄的比例，旨在验证Mg(BH₄)₂自动生成离子导体LiBH₄的可能性，这是提高电池能量密度的关键一步。通过FRITSCH行星式球磨机P7加强型精准的研磨过程，为后续的压制成片和电池性能测试奠定了坚实的基础。最终，这些精心准备的双层饼状电极与锂金属组装成半电池，通过放电/充电循环测试，展示了Mg(BH₄)₂作为负极材料的巨大潜力。

04 工作原理

采用行星式运动原理，能够在密闭的惰性气体氩气环境下，对Mg(BH₄)₂与乙炔黑（AB）或添加了LiBH₄的混合物进行精细研磨。通过设定600rpm的转速，它确保了材料的均匀分散。同时，本实验应用的球磨机的制冷单元可避免高温下可能引起不必要的化学反应，这对于像Mg(BH₄)₂这类对环境敏感的材料尤为重要。