鎂金屬電池具有較低的成本以及較高的能量密度，是潛在的下一代儲能體系之一。然而，鎂離子具有較高的電荷密度，因此通常與溶劑或者陰離子產(chǎn)生緊密的配位結(jié)構(gòu)，造成遲緩的電化學(xué)動力學(xué)。此外，鎂金屬負極易于鈍化，造成鎂電池電化學(xué)性能降低?；诖耍本┐髮W(xué)徐東升教授，李琦副教授聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)焦淑紅教授，發(fā)展了一種“高熵”電解液用于鎂金屬電池，同時實現(xiàn)電解液溶劑化結(jié)構(gòu)以及鎂金屬界面性質(zhì)的優(yōu)化，從而提升鎂金屬負極的電化學(xué)性能。
高熵電解液具有多組分的特性，通過提高電解液的構(gòu)型熵作用于吉布斯自由能，從而降低電解液組分分離或團聚傾向，改變電解液結(jié)構(gòu)以及電極界面性質(zhì)?！案哽亍彪娊庖旱木唧w組成為雙三氟磺?；鶃啺锋V（Mg(TFSI)2），三氟甲烷磺酸鋰（LiOTf），乙二醇二甲醚（DME）以及磷酸三甲酯（TMP）。作者通過核磁、拉曼表征手段結(jié)合理論計算結(jié)果，證實該電解液中形成了一種“高熵”結(jié)構(gòu)的Mg2+-2DME-OTf--Li+-DME-TMP溶劑化殼層，而在傳統(tǒng)的Mg(TFSI)2/DME電解液中則形成單一的Mg2+-3DME的溶劑化殼層。靜電勢分布結(jié)果表明，當溶劑化結(jié)構(gòu)從Mg2+-3DME變?yōu)镸g2+-2DME-OTf--Li+-DME-TMP后，Mg2+與DME中醚鍵相互作用降低，因此DME溶劑穩(wěn)定性提升。受益于“高熵電解液中獨特的溶劑化結(jié)構(gòu)，鎂金屬負極展現(xiàn)了高達98%的庫倫效率，以及約450小時的循環(huán)壽命。 X射線光電子能譜（XPS）是研究鎂金屬負極界面層化學(xué)性質(zhì)的有效手段。相較于Mg(TFSI)2/DME電解液中產(chǎn)生的界面層，由高熵電解液中衍生出的界面層幾乎檢測不出N 1s的信號，說明TFSI-陰離子的分解受到抑制。因此，S 2p和F 1s信號說明OTf-陰離子發(fā)生還原反應(yīng)并構(gòu)建了界面層。此外，作者通過P 2p譜圖發(fā)現(xiàn)由高熵電解液衍生的界面層中存在大量磷酸鎂。通過XPS元素比例分析可知，由高熵電解液衍生的界面層中含有OTf-陰離子分解產(chǎn)物以及含P化合物，與Mg(TFSI)2/DME衍生的界面層的化學(xué)組成與含量有顯著區(qū)別。作者通過質(zhì)譜以及光譜等手段結(jié)合XPS表征，證明高熵電解液形成的Mg2+-2DME-OTf--Li+-DME-TMP溶劑化結(jié)構(gòu)促使OTf-陰離子以及TMP溶劑分子發(fā)生還原并分解產(chǎn)生具有鎂離子電導(dǎo)的界面層，因此實現(xiàn)鎂金屬負極的穩(wěn)定運行。 最終，使用高熵電解液的Mo6S8||Mg全電池展現(xiàn)了良好的循環(huán)性能。該工作為鎂金屬電池電解液的設(shè)計提供新的思路。 論文信息 High-entropy Electrolyte Enables High Reversibility and Long Lifespan for Magnesium Metal Anodes Dr. Shiyang Wang, Kewei Wang, Yuchen Zhang, Prof.?Dr. Yulin Jie, Xinpeng Li, Yuxue Pan, Xiaowen Gao, Qingshun Nian, Prof. Ruiguo Cao, Qi Li, Prof. Shuhong Jiao, Prof. Dongsheng Xu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202304411
