清華大學(xué)張躍鋼教授課題組設(shè)計引入雙(2,2,2-三氟乙基)醚（BTFE）作為MLCC電解液的共溶劑，促進(jìn)了帶電離子團(tuán)簇和固體電解質(zhì)中間相（SEI）的生成，有效改善了電解液的離子電導(dǎo)率和鎂負(fù)極的長循環(huán)穩(wěn)定性。得益于BTFE共溶劑對電解液溶劑化結(jié)構(gòu)和負(fù)極界面的調(diào)控，BTFE共溶的MLCC-1T1B電解液可以在20.0mA/cm2的超高電流下可逆沉積-溶解鎂。Mg//Mg電池在5.0mA/cm2和15.0mA/cm2電流密度下可分別循環(huán)1200h和250h，在電流密度、沉積容量以及循環(huán)壽命方面的性能顯著優(yōu)于目前的Mg//Mg對稱電池。Mg//CuS全電池可循環(huán)800次，放電比容量高達(dá)160mAh/g；Mg//Mo6S8全電池可在80C（1C=128.8mA/g）的超高倍率下工作1萬次。這一研究工作提供了一種有效的溶劑化結(jié)構(gòu)和界面調(diào)控策略，對推動鎂二次電池的實用化具有重要意義。
鎂具有成本低、理論比容量高、安全性好等優(yōu)勢，是一種很有前景的負(fù)極材料。然而，Mg2+的高電荷密度（120C/mm3）極大限制了Mg2+在電解液、界面以及電極材料中的傳導(dǎo)。此外，鎂較低的還原電位（-2.37 V vs. SHE）和強烈的溶劑化效應(yīng)使得許多電解液中的溶劑和電解質(zhì)鹽會持續(xù)不斷地和鎂負(fù)極反應(yīng)形成不利于鎂離子傳導(dǎo)的鈍化層，進(jìn)而導(dǎo)致不可逆的鎂沉積-溶解。設(shè)計具有穩(wěn)定、低成本、電化學(xué)性能優(yōu)異的電解液是鎂二次電池發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一。
無機電解質(zhì)鹽MgCl2因其經(jīng)濟、穩(wěn)定、易生產(chǎn)等特點而優(yōu)勢顯著，但MgCl2極低的溶解度嚴(yán)重阻礙了Mg2+有效的傳導(dǎo)。針對這一問題，張躍鋼課題組前期進(jìn)行了一系列利用鋰鹽添加劑有效提升MgCl2解離度的研究，其中，全無機的鎂鋰氯復(fù)合物（MLCC）電解液可以通過Cl-的橋接作用形成Mg-Cl-Li團(tuán)簇結(jié)構(gòu)減少溶劑的配位，降低Mg2+的脫溶劑化能，實現(xiàn)可逆的鎂沉積-溶解。然而，相比于鋰離子電解液，MLCC離子電導(dǎo)率依然較低，使得鎂的沉積和溶解在更高的電流密度下呈現(xiàn)較高的過電勢和較短的循環(huán)壽命。因此，進(jìn)一步優(yōu)化MLCC電解液的離子電導(dǎo)率和循環(huán)穩(wěn)定性對未來鎂二次電池的實際應(yīng)用十分必要。