南京大学张晔课题组开发了一种高能量密度的镁空气电池

植入式生物电子器件具有实时健康监测、个性化治疗、人机交互等功能,有望推动多个领域的产业革命,是目前国际研究的前沿热点(www.wjym.com.cn)。然而,能源供给是该领域发展的关键难题。植入式电子器件需要高能量密度且生物安全的能源系统为其供电。锂、钠等金属离子电池能量密度较低,锌、铝等金属空气电池通常需要使用碱性电解质,生物毒性较大。

镁空气电池具有较高的理论能量密度,使用中性电解质,且镁生物安全性较高,是一种较为理想的体内能源设备。然而,目前报道的镁空气电池实际能量密度低,一方面是由于镁负极和水系电解质容易发生腐蚀反应。另一方面放电产物氢氧化镁会附着在镁金属表面,阻止电解质和镁的接触,使放电反应停止,降低镁负极的利用率。

图1 镁空气电池在(a)常规液态电解质和(b)双层凝胶电解质中的放电示意图。

南京大学张晔课题组等设计了一种双层凝胶电解质,实现了对镁金属负极的保护以及对放电产物的调控,获得了具有高能量密度的镁空气电池(2282 W h·kg-1,基于全部空气电极和镁负极的质量),远高于目前文献中采用合金化负极和抗腐蚀电解液等策略的镁空气电池。

图2 镁空气电池的电化学性能。

双层凝胶电解质是由聚氧化乙烯有机凝胶和聚丙烯酰胺水凝胶组成,两层凝胶可以形成稳定界面,其中聚氧化乙烯有机凝胶有效保护镁金属,抑制腐蚀。聚丙烯酰胺水凝胶电解质不仅为空气电极发生的氧还原反应提供了必要的水,而且研究发现当使用含氯金属盐(氯化锂、氯化钠)的水凝胶时,镁空气电池的放电产物为具有独特针状结构的Mg2Cl(OH)3,而不是文献中通常报道的致密的氢氧化镁。此外,在放电过程中,针状结构的Mg2Cl(OH)3有利于电解质和未反应的镁负极充分接触,使放电过程可以持续进行,从而提高了镁负极的利用率和电池的能量密度

图3 放电产物分析。(a-e)使用含氯金属盐的双层凝胶电解质的镁空气电池产物为针状形貌的Mg2Cl(OH)3。(f-g)使用不含氯金属盐的双层凝胶电解质的镁空气电池产物为致密的氢氧化镁。

该工作提出了一种解决镁空气电池实际能量密度低的新策略,该电池也具有较好的柔性,并且可以浸泡在水中稳定工作,展现出了良好的应用前景。该研究成果以“High-energy-density magnesium-air battery based on dual-layer gel electrolyte”为题发表于国际知名学术期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)。现代工学院一年级博士研究生李录河为该论文的第一作者、一年级硕士研究生陈昊为该论文的第二作者。本工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项基金、南京大学启动经费等项目资助。

来源:南京大学

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https://yezhang.nju.edu.cn/Publication/index.html

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