徐飞副教授、李婷副教授，CEJ：基于聚维酮碘正极的低成本、高性能可充镁电池- 大数跨境

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徐飞副教授、李婷副教授，CEJ：基于聚维酮碘正极的低成本、高性能可充镁电池

科学材料站

2021-08-23

导读：该文章报道了将低成本的聚维酮碘用作可充镁电池正极的可能性，并重点研究了化学键合对于电活性物质溶解的抑制作用。

文章信息

基于聚维酮碘正极的低成本、高性能可充镁电池

第一作者：张毓杰

通讯作者：徐飞*，李婷*

单位：中国武汉大学，中国中南民族大学

研究背景

可充镁电池具有资源丰富、安全可靠等优点，在规模储能电池领域有着潜在的应用前景，但开发低成本、高容量的正极材料是阻碍其发展的难点之一。

聚维酮碘是一种价格低廉（17.6 USD kg-1）、年产量高（1.25×104 ton）的广谱医用消毒剂。其化学结构为聚乙烯吡咯烷酮碘（PVPI），其中具有电化学活性的I3‒通过化学作用与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）键合。

区别于传统的物理吸附，化学键合的方式可以更加有效的抑制活性物质的溶解流失。本研究以聚维酮碘为正极构建可充镁电池，为发展低成本、高性能可充镁电池提供了科学依据与材料储备。

文章简介

基于此，来自武汉大学的徐飞副教授与中南民族大学的李婷副教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“A low-cost and high-performance rechargeable magnesium battery based on povidone iodine cathode”的研究文章。该文章报道了将低成本的聚维酮碘用作可充镁电池正极的可能性，并重点研究了化学键合对于电活性物质溶解的抑制作用。

图1. 基于聚维酮碘正极的可充镁电池。

本文要点

要点一：基于化学键合的固碘机制

碘单质由于具有较高的理论能量密度（580 Wh kg‒1）和理论容量（211 mAh g‒1），被认为是一种理想的单质储镁正极材料，但反应中间产物的高度可溶性会造成严重的穿梭效应，同时碘单质本身易升华的特性也使电极的加工与储存较为困难，因此直接采用碘单质作为正极材料会带来电极制备、存储和使用中的一系列问题。

传统的解决方法普遍采用活性炭物理吸附的方式进行缚碘，然而物理吸附的束缚能力较弱，不能从根本上锚定碘和抑制穿梭效应。

本研究采用有机骨架聚乙烯吡咯烷酮（PVP）以化学键合的形式络合碘。化学键合的强度远高于物理吸附，可有效固碘，使得聚维酮碘（PVPI）成为碘基正极材料优化的一个理想解决方案。

要点二：基于低成本聚维酮碘正极的高性能可充镁电池

基于聚维酮碘正极的可充镁电池显示位于2.4 V/2.1 V的充放电平台，在100、200、400、800和1600 mA g‒1电流密度下分别具有200、180、155、110及60 mAh g‒1的比容量。

同时，聚维酮碘也表现出优异的循环稳定性，在800 mA g‒1电流密度下可稳定循环500周，对应容量衰减率为0.18%每周。聚维酮碘优异的循环稳定性进一步说明的了碘和PVP聚合物骨架间的化学键合相互作用有效的抑制了穿梭效应。

图2. 基于聚维酮碘正极的可充镁电池的电化学性质。

要点三：前瞻

活性物质的溶解与穿梭效应是许多单质正极亟待解决的关键问题。不同于传统的活性炭物理吸附，本研究以化学键合的方式构建碘基材料，可有效抑制穿梭效应，为高性能碘基储镁材料的设计提供了可行思路。同时，低成本聚维酮碘也为发展镁电池提供了材料储备。

文章链接

A low-cost and high-performance rechargeable magnesium battery based on povidone iodine cathode

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131592

通讯作者介绍

徐飞副教授。

2006年本科毕业于武汉大学化学与分子科学学院，2012年博士毕业于日本京都大学，师从Rika Hagiwara教授，现为武汉大学动力与机械学院副教授。长期从事电化学储能材料与技术的相关基础与应用研究，包括可充镁电池、锂离子电池电解质等方向。目前以第一作者或通讯作者发表SCI论文五十余篇，主持国家自然科学基金2项、湖北省自然科学基金1项。

李婷副教授。

2006年本科毕业于武汉大学化学与分子科学学院，2011年博士毕业于武汉大学化学与分子科学学院，师从杨汉西教授，现为中南民族大学化学与材料科学学院副教授。主要从事高比能化学电源新体系的基础与应用研究，包括锂离子电池、钠离子电池和可充镁电池等。目前以第一作者或通讯作者发表SCI学术论文三十余篇，主持国家自然科学基金2项、湖北省自然科学基金1项。