本技术公开了一种可充镁电池复合电解液及其制备方法和应用,电解液包括有机醚类溶剂、电解质镁盐和添加剂,添加剂为磺酰亚胺类添加剂或磷酸酯类添加剂中的一种或两种。本发明通过在含电解质镁盐的有机醚类溶剂电解液中引入磺酰亚胺类添加剂,在各成分间的相互协同作用下显著提高电解液的动力学性能,有效调控电解液镁离子的溶剂化结构,加速电解质镁盐的溶解,提高镁离子电导率,以实现镁对称电池在高电流密度下的可逆电化学循环,同时提高了电池的循环寿命,通过继续引入磷酸酯类添加剂,在镁金属表面形成富含磷的镁离子导电界面膜,增强Mg<supgt;2+</supgt;的传输能力,降低镁负极溶解/沉积的过电位和势垒,从而提高非对称电池的电化学可逆性和库伦效率。
背景技术
镁金属二次电池由于其资源丰富、高理论比容量和高安全性等优点而受到越来越多的关注。金属镁储量丰富(地壳中第八丰富的元素),价格不到金属锂的1/30,这使得镁电池具有明显的成本优势。与金属锂(2046mAh cm-3
)相比,镁金属的体积比容量高达3833mAhcm-3
;而且具有较低的标氢电位为-2.37V(vs SHE),与合适的正极材料相匹配时能量密度十分可观。更重要的是,相比于金属锂,金属镁在电化学循环过程中不易形成枝晶,进一步提升了电池的安全性。此外,由于金属镁本身化学性质不活泼,能在空气中稳定存在,因此金属镁用作电池负极时便于稳定操作。综合来看,镁电池凭借其独特的优势,有望在未来的高能量密度储能系统中占据一席之地。
虽然镁金属在成本和容量上有潜在的优势,但缺乏合适的正极材料和电解液,这极大制约了镁电池的发展。虽然Mg2+
(0.086nm)和Li+
(0.09nm)的离子半径相近,但由于Mg2+
带有两个正电荷,电荷密度远大于Li+
,所产生的极化效应和溶剂化作用也远大于Li+
,导致Mg2+
在固相材料中扩散动力学缓慢,因此很难找到适合的能够实现可逆嵌入/脱出Mg2+
的正极材料。电解液是镁电池实现可逆电化学反应的关键组成部分,极大地影响了电池的充放电性能。例如,电解液的电化学窗口决定了是否会发生电解液与电极之间的副反应,从而导致钝化层的形成;电解液和电极/电解液界面的镁离子导电性也是循环过程中电池极化的重要因素。然而,金属镁与大多数电解液相容性较差,电解液会在镁金属表面发生寄生副反应,形成致密的钝化层,阻碍Mg2+
的传输。因此,开发具有高离子电导率、高的镁金属溶解/沉积效率的新型电解液,对于可充镁离子电池具有重要意义。
实现思路