【研究背景】
當(dāng)今，鋰離子電池在便攜式電子設(shè)備、交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)及航空航天等領(lǐng)域得到極其廣泛的運(yùn)用，隨著社會經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，鋰元素的有限儲備與人們對鋰離子電池的深入開發(fā)的需求之間的矛盾日益激烈，極大地限制了鋰離子電池的發(fā)展；為滿足今后大型動力電源和大規(guī)模儲能系統(tǒng)的發(fā)展，尋求新型的能源與儲能系統(tǒng)成為人們在儲能領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)?？沙涫芥V離子電池在能源存儲與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域中得到了越來越多的關(guān)注，鎂元素地殼儲備豐富、體積能量密度高、易處理加工、安全性高等特點(diǎn)，使得鎂電池具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?
與此同時，鎂離子較高的核電荷數(shù)與離子半徑的比值導(dǎo)致其具有較強(qiáng)的極化作用，與正極材料中離子的靜電作用及主體材料中陽離子再分配會阻礙鎂離子在正極材料中的可逆?zhèn)鬏?，因此探索具有可逆儲鎂的正極材料是鎂電池發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。轉(zhuǎn)化機(jī)理型正極材料備受人們的關(guān)注，受到Li-S、Li-Se電池的啟發(fā)，S、Se也被應(yīng)用于開發(fā)高性能鎂電池中，并取得了一定的進(jìn)展，但其循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能依然較差。
而同為硫族元素的碲元素?fù)碛休^高的電子電導(dǎo)率有利于高倍率下電子的傳輸，與此同時，碲元素密度較大，具有較高的體積能量密度，且循環(huán)過程中的體積膨脹也較小，基于以上特點(diǎn)崔光磊研究員團(tuán)隊(duì)提出以碲作為鎂電池正極材料。
【擬解決的關(guān)鍵問題】
1. 鎂電池循環(huán)及倍率性能較差的問題
2. 碲作為鎂電池正極材料的儲鎂機(jī)理
【研究思路剖析】
1. 采用電導(dǎo)率更高、密度更大的碲元素作為鎂電池正極材料。
2. 采用非原位XRD、XPS及理論計(jì)算的方法分析碲元素可逆儲鎂的機(jī)理。
【圖文簡介】
圖1. 以銅箔為集流體的Mg-Te電池電化學(xué)性能
要點(diǎn)1. 以銅箔為集流體的Mg-Te電池表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在100mAg-1電流密度下，400圈后仍有178.5mAg-1的可逆比容量；與此同時也表現(xiàn)出高倍率性能，在3750mAg-1的電流密度下仍然有118.8mAhg-1的可逆比容量，且極化較小，是截至目前所有文獻(xiàn)報(bào)道中，倍率性能最高的材料。
圖2. 電池首圈充放電非原位XRD（a、b）和循環(huán)穩(wěn)定后一圈充放電非原位XRD（c、d）
要點(diǎn)2. 中間相Cu2Te在可逆儲鎂過程中起到了至關(guān)重要的作用，首圈放電至0.93V時，生成了Cu2Te相。在循環(huán)穩(wěn)定后，Mg、Te、Cu三種元素之間相互作用，實(shí)現(xiàn)鎂在正極材料中的可逆存儲。
圖3. 首圈循環(huán)中Te、Mg非原位XPS（a、b）；循環(huán)穩(wěn)定后Mg非原位XPS（c）
要點(diǎn)3. 非原位XPS同樣證明了Mg/Mg2+及Te2-/Te電對通過中間相Cu2Te實(shí)現(xiàn)了可逆轉(zhuǎn)化。
圖4 Mg2+在Cu2Te、Cu2Se、Cu2S中的擴(kuò)散路徑（a、b、c）和擴(kuò)散能壘（d、e、f）
要點(diǎn)4. DFT計(jì)算結(jié)果顯示，與Cu2Se、Cu2S相比，Mg2+在Cu2Te中的擴(kuò)散（α→β→γ）位壘最低，僅有0.49eV，從而導(dǎo)致Te-Cu正極體系具有高倍率性能。
【意義分析】
作者首次提出以銅箔為集流體，碲元素為活性物質(zhì)作為鎂電池正極材料。電池表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能，從而在一定程度上解決了鎂電池倍率性能低的問題。通過非原位表征，分析了Te-Cu正極體系可逆儲鎂的原理，理論上揭示了材料的微觀構(gòu)象與宏觀性質(zhì)之間的必然聯(lián)系。
【原文鏈接】
A superior electronic conducting tellurium electrode enabled high rate capability rechargeable Mg batteries.
https://doi.org/10.1016/j.mtener.2020.100450
【作者簡介】
崔光磊，研究員，博士生導(dǎo)師，國家新能源汽車專項(xiàng)高比能固態(tài)鋰電池技術(shù)項(xiàng)目首席科學(xué)家，國家“萬人計(jì)劃”，科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，國務(wù)院特殊津貼專家。獲得山東省自然科學(xué)一等獎、青島市自然科學(xué)一等獎等獎項(xiàng)。2005年于中國科學(xué)院化學(xué)所獲得有機(jī)化學(xué)博士學(xué)位，2005年9月至2009年先后在德國馬普協(xié)會高分子所和固態(tài)所從事博士后研究。2009年2月到中科院青島生物能源與過程所工作，現(xiàn)任中科院青島能源所學(xué)位委員會主任、學(xué)術(shù)委員會副主任，青島儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院執(zhí)行院長、能源應(yīng)用技術(shù)研究室主任，國際聚合物電解質(zhì)委員會理事、國際儲能創(chuàng)新聯(lián)盟理事、中國化學(xué)會電化學(xué)委員會委員、中國化學(xué)會有機(jī)固體專業(yè)委員會委員等。近幾年主要從事高比能固態(tài)電池關(guān)鍵材料和系統(tǒng)研發(fā)、深海特種電源開發(fā)應(yīng)用及固態(tài)光電轉(zhuǎn)換器件的研究工作。先后在能源材料、化學(xué)、器件等方面的國際權(quán)威雜志Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Environ. Energy Science、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Sci.等發(fā)表文章260多篇，他引10000多次。
