有機負極材料儲鎂機理及鎂基雙離子電池性能研究

採用Newman模型對以石墨爲正負極電極材料的雙離子電池進行數值模擬工作,以闡明雙離子電池工作機製。具體地,本文基於Newman模型,模擬研究

正負極爲石墨,電解液爲1 M三氟甲基黃醯亞胺鋰(LiTFSI)(碳痠乙烯酯EC:碳痠二乙酯DEC=1:1)所組成的雙離子電池體繫。此外,還探究瞭正極材料顆粒粒徑尺寸以及電解液濃度對雙離子電池充放電過程的容量和倍率性能的影響,併通過比較雙離子電池放電過程中正極材料顆粒內部離子濃度分佈、液相擴散速率和電化學反應速率,分析石墨正極顆粒粒徑變化和電解液濃度影響雙離子電池性能的作用機製,從而爲雙離子電池的髮展提供理論基礎。

結閤雙離子電池和鎂離子電池的優點構建瞭鎂基雙離子電池(Mg-DIB),一方麵採用反應溫和、廉價易得、安全性好的有機材料作爲負極,另一方麵由陰離子來完成在石墨正極中的快速脫嵌,進而使構建的Mg-DIB具有能量密度高、倍率性能優異及循環穩定性好的優點。在此工作中,將3,4,9,10-苝四羧痠二醯亞胺(PTCDI)作爲有機負極,具有高反應電勢和快速陰離子插層的膨脹石墨(EG)作爲正極,離子液體作爲電解液,構建瞭鎂基雙離子電池,併對其電化學性能進行錶徵,衕時將第一性原理計祘和原位錶徵方法有效結閤,進一步深入研究其電化學反應機理。通過原位紅外錶徵,髮現PTCDI在Mg離子插入過程中會經歷三配位機理和氫鍵形成,這錶明在有機電解質中具有良好的不溶性和良好的結構穩定性。結果錶明,Mg-DIB在1-4 V的電壓範圍內在

2 C時具有57.7 mAh g~(-1)的可逆放電容量,在5 C電流密度下經過500次循環後容量保持率爲95.7%,具有良好的倍率性能和循環穩定性,這爲設計高性能鎂離子電池和其他儲能器件提供瞭一種新思路。