有机负极材料储镁机理及镁基双离子电池性能研究

采用Newman模型对以石墨为正负极电极材料的双离子电池进行数值模拟工作,以阐明双离子电池工作机制。具体地,本文基于Newman模型,模拟研究

正负极为石墨,电解液为1 M三氟甲基黄酰亚胺锂(LiTFSI)(碳酸乙烯酯EC:碳酸二乙酯DEC=1:1)所组成的双离子电池体系。此外,还探究了正极材料颗粒粒径尺寸以及电解液浓度对双离子电池充放电过程的容量和倍率性能的影响,并通过比较双离子电池放电过程中正极材料颗粒内部离子浓度分布、液相扩散速率和电化学反应速率,分析石墨正极颗粒粒径变化和电解液浓度影响双离子电池性能的作用机制,从而为双离子电池的发展提供理论基础。

结合双离子电池和镁离子电池的优点构建了镁基双离子电池(Mg-DIB),一方面采用反应温和、廉价易得、安全性好的有机材料作为负极,另一方面由阴离子来完成在石墨正极中的快速脱嵌,进而使构建的Mg-DIB具有能量密度高、倍率性能优异及循环稳定性好的优点。在此工作中,将3,4,9,10-苝四羧酸二酰亚胺(PTCDI)作为有机负极,具有高反应电势和快速阴离子插层的膨胀石墨(EG)作为正极,离子液体作为电解液,构建了镁基双离子电池,并对其电化学性能进行表征,同时将第一性原理计算和原位表征方法有效结合,进一步深入研究其电化学反应机理。通过原位红外表征,发现PTCDI在Mg离子插入过程中会经历三配位机理和氢键形成,这表明在有机电解质中具有良好的不溶性和良好的结构稳定性。结果表明,Mg-DIB在1-4 V的电压范围内在

2 C时具有57.7 mAh g~(-1)的可逆放电容量,在5 C电流密度下经过500次循环后容量保持率为95.7%,具有良好的倍率性能和循环稳定性,这为设计高性能镁离子电池和其他储能器件提供了一种新思路。