鎂金屬因出色的體積容量和高自然豐度等特性而備受關(guān)注，鎂金屬電池也因此被認(rèn)為是“后鋰電池”時(shí)代最具應(yīng)用潛力的二次電池。然而，不均勻的鎂沉積和備受爭(zhēng)議的鎂枝晶生長(zhǎng)導(dǎo)致了較低的庫(kù)侖效率和潛在的安全問(wèn)題，阻礙了鎂金屬電池的發(fā)展。此外，金屬鎂箔的低效利用限制了電池能量密度的提升，并且不利于電池的柔性化。近年來(lái)，梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在調(diào)控電場(chǎng)分布、離子通量和內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)等方面展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)，然而梯度特性的實(shí)現(xiàn)往往依賴(lài)于復(fù)雜的表面修飾，制約了電池的批量生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)以上問(wèn)題，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士團(tuán)隊(duì)艾偉教授課題組利用可工業(yè)化生產(chǎn)的造紙工藝制備了具有三梯度特性的柔性紙基主體材料，實(shí)現(xiàn)了鎂金屬在主體材料內(nèi)的自下而上沉積，并且首次構(gòu)筑了柔性紙基鎂金屬電池（Adv. Mater. 2023, DOI: 10.1002/adma.202309339）。
三梯度主體材料的制備及結(jié)構(gòu)示意圖
通過(guò)調(diào)控主體材料各層級(jí)中羧基化多壁碳納米管與針葉木纖維的比例，實(shí)現(xiàn)了電導(dǎo)率、親鎂性和孔徑在垂直方向上的梯度分布。同時(shí)，低成本的針葉木纖維和羧基化多壁碳納米管以及可批量化生產(chǎn)的造紙工藝為柔性電極的實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
梯度主體材料內(nèi)自下而上的沉積過(guò)程和電化學(xué)性能
三梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：底層的高電導(dǎo)率、親鎂性和小孔徑特征可以均勻鎂離子通量，誘導(dǎo)鎂金屬優(yōu)先形核/沉積；頂層的絕緣性、疏鎂性和大孔徑特征可以促進(jìn)鎂離子快速傳輸，抑制“頂部生長(zhǎng)”；中間過(guò)渡層則可以避免因頂層與底層梯度差異過(guò)大而造成的金屬分層。以上特性所誘導(dǎo)的自下而上沉積行為顯著提升了梯度主體材料的鎂沉積/剝離可逆性。
柔性軟包電池機(jī)械性能和電化學(xué)性能
為探究該梯度主體材料的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，該工作同時(shí)利用造紙工藝制備了紙基Mo6S8正極，并組裝得到了柔性紙基鎂金屬電池，其表現(xiàn)出優(yōu)異的耐彎曲特性和電化學(xué)穩(wěn)定性，為未來(lái)高性能柔性金屬電池的發(fā)展提供了借鑒。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202309339
（文字：畢經(jīng)煊；審核：王學(xué)文）
