【研究背景】
當(dāng)今，鋰離子電池在便攜式電子設(shè)備、交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)及航空航天等領(lǐng)域得到極其廣泛的運(yùn)用，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，鋰元素的有限儲(chǔ)備與人們對(duì)鋰離子電池的深入開發(fā)的需求之間的矛盾日益激烈，極大地限制了鋰離子電池的發(fā)展；為滿足今后大型動(dòng)力電源和大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展，尋求新型的能源與儲(chǔ)能系統(tǒng)成為人們?cè)趦?chǔ)能領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)?？沙涫芥V離子電池在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域中得到了越來(lái)越多的關(guān)注，鎂元素地殼儲(chǔ)備豐富、體積能量密度高、易處理加工、安全性高等特點(diǎn)，使得鎂電池具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?
與此同時(shí)，鎂離子較高的核電荷數(shù)與離子半徑的比值導(dǎo)致其具有較強(qiáng)的極化作用，與正極材料中離子的靜電作用及主體材料中陽(yáng)離子再分配會(huì)阻礙鎂離子在正極材料中的可逆?zhèn)鬏?，因此探索具有可逆?chǔ)鎂的正極材料是鎂電池發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。轉(zhuǎn)化機(jī)理型正極材料備受人們的關(guān)注，受到Li-S、Li-Se電池的啟發(fā)，S、Se也被應(yīng)用于開發(fā)高性能鎂電池中，并取得了一定的進(jìn)展，但其循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能依然較差。
而同為硫族元素的碲元素?fù)碛休^高的電子電導(dǎo)率有利于高倍率下電子的傳輸，與此同時(shí)，碲元素密度較大，具有較高的體積能量密度，且循環(huán)過(guò)程中的體積膨脹也較小，基于以上特點(diǎn)崔光磊研究員團(tuán)隊(duì)提出以碲作為鎂電池正極材料。
【擬解決的關(guān)鍵問題】
1. 鎂電池循環(huán)及倍率性能較差的問題
2. 碲作為鎂電池正極材料的儲(chǔ)鎂機(jī)理
【研究思路剖析】
1. 采用電導(dǎo)率更高、密度更大的碲元素作為鎂電池正極材料。
2. 采用非原位XRD、XPS及理論計(jì)算的方法分析碲元素可逆儲(chǔ)鎂的機(jī)理。
【圖文簡(jiǎn)介】
圖1. 以銅箔為集流體的Mg-Te電池電化學(xué)性能
要點(diǎn)1. 以銅箔為集流體的Mg-Te電池表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在100mAg-1電流密度下，400圈后仍有178.5mAg-1的可逆比容量；與此同時(shí)也表現(xiàn)出高倍率性能，在3750mAg-1的電流密度下仍然有118.8mAhg-1的可逆比容量，且極化較小，是截至目前所有文獻(xiàn)報(bào)道中，倍率性能最高的材料。
圖2. 電池首圈充放電非原位XRD（a、b）和循環(huán)穩(wěn)定后一圈充放電非原位XRD（c、d）
要點(diǎn)2. 中間相Cu2Te在可逆儲(chǔ)鎂過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用，首圈放電至0.93V時(shí)，生成了Cu2Te相。在循環(huán)穩(wěn)定后，Mg、Te、Cu三種元素之間相互作用，實(shí)現(xiàn)鎂在正極材料中的可逆存儲(chǔ)。
圖3. 首圈循環(huán)中Te、Mg非原位XPS（a、b）；循環(huán)穩(wěn)定后Mg非原位XPS（c）
要點(diǎn)3. 非原位XPS同樣證明了Mg/Mg2+及Te2-/Te電對(duì)通過(guò)中間相Cu2Te實(shí)現(xiàn)了可逆轉(zhuǎn)化。
圖4 Mg2+在Cu2Te、Cu2Se、Cu2S中的擴(kuò)散路徑（a、b、c）和擴(kuò)散能壘（d、e、f）
要點(diǎn)4. DFT計(jì)算結(jié)果顯示，與Cu2Se、Cu2S相比，Mg2+在Cu2Te中的擴(kuò)散（α→β→γ）位壘最低，僅有0.49eV，從而導(dǎo)致Te-Cu正極體系具有高倍率性能。
【意義分析】
作者首次提出以銅箔為集流體，碲元素為活性物質(zhì)作為鎂電池正極材料。電池表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能，從而在一定程度上解決了鎂電池倍率性能低的問題。通過(guò)非原位表征，分析了Te-Cu正極體系可逆儲(chǔ)鎂的原理，理論上揭示了材料的微觀構(gòu)象與宏觀性質(zhì)之間的必然聯(lián)系。
【原文鏈接】
A superior electronic conducting tellurium electrode enabled high rate capability rechargeable Mg batteries.
https://doi.org/10.1016/j.mtener.2020.100450
【作者簡(jiǎn)介】
崔光磊，研究員，博士生導(dǎo)師，國(guó)家新能源汽車專項(xiàng)高比能固態(tài)鋰電池技術(shù)項(xiàng)目首席科學(xué)家，國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”，科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者，國(guó)務(wù)院特殊津貼專家。獲得山東省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、青島市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。2005年于中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所獲得有機(jī)化學(xué)博士學(xué)位，2005年9月至2009年先后在德國(guó)馬普協(xié)會(huì)高分子所和固態(tài)所從事博士后研究。2009年2月到中科院青島生物能源與過(guò)程所工作，現(xiàn)任中科院青島能源所學(xué)位委員會(huì)主任、學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任，青島儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院執(zhí)行院長(zhǎng)、能源應(yīng)用技術(shù)研究室主任，國(guó)際聚合物電解質(zhì)委員會(huì)理事、國(guó)際儲(chǔ)能創(chuàng)新聯(lián)盟理事、中國(guó)化學(xué)會(huì)電化學(xué)委員會(huì)委員、中國(guó)化學(xué)會(huì)有機(jī)固體專業(yè)委員會(huì)委員等。近幾年主要從事高比能固態(tài)電池關(guān)鍵材料和系統(tǒng)研發(fā)、深海特種電源開發(fā)應(yīng)用及固態(tài)光電轉(zhuǎn)換器件的研究工作。先后在能源材料、化學(xué)、器件等方面的國(guó)際權(quán)威雜志Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Environ. Energy Science、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Sci.等發(fā)表文章260多篇，他引10000多次。
