镁离子电池正极材料研究进展

张默淳 冯硕 邬赟羚 李彦光

引用本文: 张默淳, 冯硕, 邬赟羚, 李彦光. 镁离子电池正极材料研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(2): 2205050-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202205050 shu
Citation:  Mochun Zhang, Shuo Feng, Yunling Wu, Yanguang Li. Cathode Materials for Rechargeable Magnesium-Ion Batteries: A Review[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(2): 2205050-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202205050 shu

镁离子电池正极材料研究进展

    通讯作者: 邬赟羚, ylwu@suda.edu.cn; 李彦光,
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 U2002213

    国家自然科学基金 51972219

    国家自然科学基金 22005209

摘要: 镁离子电池(MIBs)因镁资源储量丰富、体积能量密度大、金属镁空气中相对稳定等优势,被认为是具有大规模储能应用潜力的电池体系。然而,镁离子较高的电荷密度和较强的溶剂化作用导致其在正极材料中的可逆脱嵌和固-液界面上的离子扩散相当缓慢,严重影响了MIBs的电化学性能。近年来,人们针对MIBs正极材料开展了大量工作,取得了一定进展,但是还存在不少问题。本文先从MIBs体系的特点出发,阐述其优势和目前所面临的主要挑战,然后从无机正极材料和有机正极材料两方面展开,梳理并总结了各类正极材料的局限性及其解决策略,对优化方法和材料性能间的相关性进行归纳和讨论,为今后进一步发展具有优异电化学性能的MIBs正极材料提供可能的参考。

English

    1. [1]

      Dunn, B.; Kamath, H.; Tarascon, J. M. Science 2011, 334, 928. doi: 10.1126/science.1212741

    2. [2]

      Kittner, N.; Lill, F.; Kammen, D. M. Nat. Energy 2017, 2, 17125. doi: 10.1038/nenergy.2017.125

    3. [3]

      Andrews, J. L.; Mukherjee, A.; Yoo, H. D.; Parija, A.; Marley, P. M.; Fakra, S.; Prendergast, D.; Cabana, J.; Klie, R. F.; Banerjee, S. Chem 2018, 4, 564. doi: 10.1016/j.chempr.2017.12.018

    4. [4]

      Goodenough, J. B.; Park, K. S. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 1167. doi: 10.1021/ja3091438

    5. [5]

      Canepa, P.; Sai Gautam, G.; Hannah, D. C.; Malik, R.; Liu, M.; Gallagher, K. G.; Persson, K. A.; Ceder, G. Chem. Rev. 2017, 117, 4287. doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00614

    6. [6]

      Guo, Z.; Zhao, S.; Li, T.; Su, D.; Guo, S.; Wang, G. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903591. doi: 10.1002/aenm.201903591

    7. [7]

      Bonnick, P.; Muldoon, J. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1910510. doi: 10.1002/adfm.201910510

    8. [8]

      Muldoon, J.; Bucur, C. B.; Oliver, A. G.; Sugimoto, T.; Matsui, M.; Kim, H. S.; Allred, G. D.; Zajicek, J.; Kotani, Y. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 5941. doi: 10.1039/c2ee03029b

    9. [9]

      Attias, R.; Salama, M.; Hirsch, B.; Goffer, Y.; Aurbach, D. Joule 2019, 3, 27. doi: 10.1016/j.joule.2018.10.028

    10. [10]

      阳源源, 王进芝, 杜俊哲, 杜奥冰, 赵井文, 崔光磊. 化工学报, 2021, 72, 3116. doi: 10.11949/0438-1157.20210124Yang, Y. Y.; Wang, J. Z.; Du, J. Z.; Du, A. B.; Zhao, J. W.; Cui, G. L. CIESC J. 2021, 72, 3116. doi: 10.11949/0438-1157.20210124

    11. [11]

      Aurbach, D.; Lu, Z.; Schechter, A.; Gofer, Y.; Gizbar, H.; Turgeman, R.; Cohen, Y.; Moshkovich, M.; Levi, E. Nature 2000, 407, 724. doi: 10.1038/35037553

    12. [12]

      Zhang, R.; Yu, X.; Nam, K.-W.; Ling, C.; Arthur, T. S.; Song, W.; Knapp, A. M.; Ehrlich, S. N.; Yang, X.-Q.; Matsui, M. Electrochem. Commun. 2012, 23, 110. doi: 10.1016/j.elecom.2012.07.021

    13. [13]

      Pan, B.; Zhou, D.; Huang, J.; Zhang, L.; Burrell, A. K.; Vaughey, J. T.; Zhang, Z.; Liao, C. J. Electrochem. Soc. 2016, 163, A580. doi: 10.1149/2.0021605jes

    14. [14]

      Rong, Z.; Malik, R.; Canepa, P.; Sai Gautam, G.; Liu, M.; Jain, A.; Persson, K.; Ceder, G. Chem. Mater. 2015, 27, 6016. doi: 10.1021/acs.chemmater.5b02342

    15. [15]

      Yu, S. H.; Lee, S. H.; Lee, D. J.; Sung, Y. E.; Hyeon, T. Small 2016, 12, 2146. doi: 10.1002/smll.201502299

    16. [16]

      Wu, F.; Yushin, G. Energy Environ. Sci. 2017, 10, 435. doi: 10.1039/c6ee02326f

    17. [17]

      Arthur, T. S.; Zhang, R.; Ling, C.; Glans, P. A.; Fan, X.; Guo, J.; Mizuno, F. ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 7004. doi: 10.1021/am5015327

    18. [18]

      Lu, D.; Liu, H.; Huang, T.; Xu, Z.; Ma, L.; Yang, P.; Qiang, P.; Zhang, F.; Wu, D. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 17297. doi: 10.1039/c8ta05230a

    19. [19]

      Tran, N. A.; Do Van Thanh, N.; Le, M. L. P. Chem. -Eur. J. 2021, 27, 9198. doi: 10.1002/chem.202100223

    20. [20]

      Yoo, H. D.; Liang, Y.; Dong, H.; Lin, J.; Wang, H.; Liu, Y.; Ma, L.; Wu, T.; Li, Y.; Ru, Q.; et al. Nat. Commun. 2017, 8, 339. doi: 10.1038/s41467-017-00431-9

    21. [21]

      Kumar, G.; Sivashanmugam, A.; Muniyandi, N.; Dhawan, S. K.; Trivedi, D. C. Synth. Met. 1996, 80, 279. doi: 10.1016/0379-6779(96)80214-1

    22. [22]

      Kim, K. I.; Guo, Q.; Tang, L.; Zhu, L.; Pan, C.; Chang, C. H.; Razink, J.; Lerner, M. M.; Fang, C.; Ji, X. L. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2020, 59, 19924. doi: 10.1002/anie.202009172

    23. [23]

      Levi, E.; Lancry, E.; Mitelman, A.; Aurbach, D.; Ceder, G.; Morgan, D.; Isnard, O. Chem. Mater. 2006, 18, 5492. doi: 10.1021/cm061656f

    24. [24]

      Yoo, H. D.; Shterenberg, I.; Gofer, Y.; Gershinsky, G.; Pour, N.; Aurbach, D. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 2265. doi: 10.1039/c3ee40871j

    25. [25]

      Ryu, A.; Park, M.-S.; Cho, W.; Kim, J.-S.; Kim, Y.-J. Bull. Korean Chem. Soc. 2013, 34, 3033. doi: 10.5012/bkcs.2013.34.10.3033

    26. [26]

      Levi, E.; Gofer, Y.; Vestfreed, Y.; Lancry, E.; Aurbach, D. Chem. Mater. 2002, 14, 2767. doi: 10.1021/cm021122o

    27. [27]

      Choi, S. H.; Kim, J. S.; Woo, S. G.; Cho, W.; Choi, S. Y.; Choi, J.; Lee, K. T.; Park, M. S.; Kim, Y. J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 7016. doi: 10.1021/am508702j

    28. [28]

      Tao, Z. L.; Xu, L. N.; Gou, X. L.; Chen, J.; Yuan, H. T. Chem. Commun. 2004, 2080. doi: 10.1039/b403855j

    29. [29]

      Liu, M.; Jain, A.; Rong, Z.; Qu, X.; Canepa, P.; Malik, R.; Ceder, G.; Persson, K. A. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 3201. doi: 10.1039/c6ee01731b

    30. [30]

      Sun, X.; Bonnick, P.; Nazar, L. F. ACS Energy Lett. 2016, 1, 297. doi: 10.1021/acsenergylett.6b00145

    31. [31]

      Kolli, S. K.; Van der Ven, A. Chem. Mater. 2018, 30, 2436. doi: 10.1021/acs.chemmater.8b00552

    32. [32]

      Emly, A.; Van der Ven, A. Inorg. Chem. 2015, 54, 4394. doi: 10.1021/acs.inorgchem.5b00188

    33. [33]

      Sun, X.; Bonnick, P.; Duffort, V.; Liu, M.; Rong, Z.; Persson, K. A.; Ceder, G.; Nazar, L. F. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 2273. doi: 10.1039/c6ee00724d

    34. [34]

      Ni, Q.; Bai, Y.; Wu, F.; Wu, C. Adv. Sci. 2017, 4, 1600275. doi: 10.1002/advs.201600275

    35. [35]

      Ling, C.; Banerjee, D.; Song, W.; Zhang, M.; Matsui, M. J. Mater. Chem. 2012, 22, 13517. doi: 10.1039/c2jm31122d

    36. [36]

      Li, Y.; Nuli, Y.; Yang, J.; Yilinuer, T.; Wang, J. Chin. Sci. Bull. 2011, 56, 386. doi: 10.1007/s11434-010-4247-4

    37. [37]

      Chen, X.; Bleken, F. L.; Løvvik, O. M.; Vullum-Bruer, F. J. Power Sources 2016, 321, 76. doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.04.094

    38. [38]

      Orikasa, Y.; Masese, T.; Koyama, Y.; Mori, T.; Hattori, M.; Yamamoto, K.; Okado, T.; Huang, Z. D.; Minato, T.; Tassel, C.; et al. Sci. Rep. 2014, 4, 5622. doi: 10.1038/srep05622

    39. [39]

      NuLi, Y.; Yang, J.; Li, Y.; Wang, J. Chem. Commun. 2010, 46, 3794. doi: 10.1039/c002456b

    40. [40]

      Zeng, J.; Yang, Y.; Lai, S.; Huang, J.; Zhang, Y.; Wang, J.; Zhao, J. Chem. - Eur. J. 2017, 23, 16898. doi: 10.1002/chem.201704303

    41. [41]

      Makino, K.; Katayama, Y.; Miura, T.; Kishi, T. J. Power Sources 2001, 99, 66. doi: 10.1016/s0378-7753(01)00480-3

    42. [42]

      Makino, K.; Katayama, Y.; Miura, T.; Kishi, T. J. Power Sources 2001, 97–98, 512. doi: 10.1016/s0378-7753(01)00694-2

    43. [43]

      Makino, K.; Katayama, Y.; Miura, T.; Kishi, T. J. Power Sources 2002, 112, 85. doi: 10.1016/s0378-7753(02)00345-2

    44. [44]

      Huang, Z.-D.; Masese, T.; Orikasa, Y.; Mori, T.; Yamamoto, K. RSC Adv. 2015, 5, 8598. doi: 10.1039/c4ra14416c

    45. [45]

      Kitchaev, D. A.; Dacek, S. T.; Sun, W.; Ceder, G. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 2672. doi: 10.1021/jacs.6b11301

    46. [46]

      Ling, C.; Zhang, R.; Arthur, T. S.; Mizuno, F. Chem. Mater. 2015, 27, 5799. doi: 10.1021/acs.chemmater.5b02488

    47. [47]

      Rasul, S.; Suzuki, S.; Yamaguchi, S.; Miyayama, M. Solid State Ionics 2012, 225, 542. doi: 10.1016/j.ssi.2012.01.019

    48. [48]

      Rasul, S.; Suzuki, S.; Yamaguchi, S.; Miyayama, M. Electrochim. Acta 2012, 82, 243. doi: 10.1016/j.electacta.2012.03.095

    49. [49]

      Feng, Z.; Chen, X.; Qiao, L.; Lipson, A. L.; Fister, T. T.; Zeng, L.; Kim, C.; Yi, T.; Sa, N.; Proffit, D. L.; et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 28438. doi: 10.1021/acsami.5b09346

    50. [50]

      Zhao, X.; Yang, Y.; NuLi, Y.; Li, D.; Wang, Y.; Xiang, X. Chem. Commun. 2019, 55, 6086. doi: 10.1039/c9cc02556a

    51. [51]

      Yang, Y.; Wang, W.; Nuli, Y.; Yang, J.; Wang, J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 9062. doi: 10.1021/acsami.8b20180

    52. [52]

      Yuan, H.; Yang, Y.; NuLi, Y.; Yang, J.; Wang, J. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 17075. doi: 10.1039/c8ta04772c

    53. [53]

      Du, A.; Zhao, Y.; Zhang, Z.; Dong, S.; Cui, Z.; Tang, K.; Lu, C.; Han, P.; Zhou, X.; Cui, G. Energy Storage Mater. 2020, 26, 23. doi: 10.1016/j.ensm.2019.12.030

    54. [54]

      Duffort, V.; Sun, X.; Nazar, L. F. Chem. Commun. 2016, 52, 12458. doi: 10.1039/c6cc05363g

    55. [55]

      Tashiro, Y.; Taniguchi, K.; Miyasaka, H. Electrochim. Acta 2016, 210, 655. doi: 10.1016/j.electacta.2016.05.202

    56. [56]

      Zhang, Z.; Chen, B.; Xu, H.; Cui, Z.; Dong, S.; Du, A.; Ma, J.; Wang, Q.; Zhou, X.; Cui, G. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1701718. doi: 10.1002/adfm.201701718

    57. [57]

      Cheng, X.; Zhang, Z.; Kong, Q.; Zhang, Q.; Wang, T.; Dong, S.; Gu, L.; Wang, X.; Ma, J.; Han, P.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2020, 59, 11477. doi: 10.1002/anie.202002177

    58. [58]

      Qu, X.; Du, A.; Wang, T.; Kong, Q.; Chen, G.; Zhang, Z.; Zhao, J.; Liu, X.; Zhou, X.; Dong, S.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2022. doi: 10.1002/anie.202204423

    59. [59]

      Sano, H.; Senoh, H.; Yao, M.; Sakaebe, H.; Kiyobayashi, T. Chem. Lett. 2012, 41, 1594. doi: 10.1246/cl.2012.1594

    60. [60]

      Senoh, H.; Sakaebe, H.; Tokiwa, H.; Uchida, M.; Sano, H.; Yao, M.; Kiyobayashi, T. ECS Trans. 2015, 69, 33. doi: 10.1149/06919.0033ecst

    61. [61]

      Dong, H.; Tutusaus, O.; Liang, Y.; Zhang, Y.; Lebens-Higgins, Z.; Yang, W.; Mohtadi, R.; Yao, Y. Nat. Energy 2020, 5, 1043. doi: 10.1038/s41560-020-00734-0

    62. [62]

      Pan, B.; Huang, J.; Feng, Z.; Zeng, L.; He, M.; Zhang, L.; Vaughey, J. T.; Bedzyk, M. J.; Fenter, P.; Zhang, Z.; et al. Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600140. doi: 10.1002/aenm.201600140

    63. [63]

      Dong, H.; Liang, Y.; Tutusaus, O.; Mohtadi, R.; Zhang, Y.; Hao, F.; Yao, Y. Joule 2019, 3, 782. doi: 10.1016/j.joule.2018.11.022

    64. [64]

      Nakahara, K.; Iwasa, S.; Satoh, M.; Morioka, Y.; Iriyama, J.; Suguro, M.; Hasegawa, E. Chem. Phys. Lett. 2002, 359, 351. doi: 10.1016/s0009-2614(02)00705-4

    65. [65]

      陈强, 努丽燕娜, 郭维, 杨军, 王久林, 郭玉国. 物理化学学报, 2013, 29, 2295. doi: 10.3866/PKU.WHXB201309241Chen, Q.; Nuli, Y. N.; Guo, W.; Yang, J.; Wang, J. L.; Guo, Y. G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2013, 29, 2295. doi: 10.3866/PKU.WHXB201309241

    66. [66]

      Gu, S.; Wu, S.; Cao, L.; Li, M.; Qin, N.; Zhu, J.; Wang, Z.; Li, Y.; Li, Z.; Chen, J.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 9623. doi: 10.1021/jacs.9b03467

    67. [67]

      Ha, S. Y.; Lee, Y. W.; Woo, S. W.; Koo, B.; Kim, J. S.; Cho, J.; Lee, K. T.; Choi, N. S. ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 4063. doi: 10.1021/am405619v

    68. [68]

      Wu, M.; Cui, Y.; Bhargav, A.; Losovyj, Y.; Siegel, A.; Agarwal, M.; Ma, Y.; Fu, Y. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2016, 55, 10027. doi: 10.1002/anie.201603897

    69. [69]

      NuLi, Y.; Guo, Z.; Liu, H.; Yang, J. Electrochem. Commun. 2007, 9, 1913. doi: 10.1016/j.elecom.2007.05.009

    70. [70]

      NuLi, Y.; Chen, Q.; Wang, W.; Wang, Y.; Yang, J.; Wang, J. Sci. World J. 2014, 2014, 107918. doi: 10.1155/2014/107918

    71. [71]

      Bitenc, J.; Pirnat, K.; Mali, G.; Novosel, B.; Randon Vitanova, A.; Dominko, R. Electrochem. Commun. 2016, 69, 1. doi: 10.1016/j.elecom.2016.05.009

    72. [72]

      Kaland, H.; Hadler-Jacobsen, J.; Fagerli, F. H.; Wagner, N. P.; Schnell, S. K.; Wiik, K. ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 10600. doi: 10.1021/acsaem.0c01655

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  7
  • 文章访问数:  156
  • HTML全文浏览量:  14
文章相关
  • 发布日期:  2023-02-15
  • 收稿日期:  2022-05-23
  • 接受日期:  2022-06-24
  • 修回日期:  2022-06-22
  • 网络出版日期:  2022-06-29
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章