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尖晶石型氧化钒纳米晶体中Mg2+的高脱嵌能力
通讯作者：Jordi Cabana*
研究背景
从理论上讲，非水镁电池可以使用具有成本效益的材料实现高能量密度，但迄今为止，这种设备在性能上都无法与锂离子技术竞争。主要障碍是需要结合高容量和高电压的氧化物正极。然而，目前很少有氧化物显示出具有可接受的低H2O含量的电解质中Mg2+嵌入的固有能力。
计算研究预测，在几种氧化物中，电压，容量和足够的Mg2+扩散相结合以实现合适的电池功能是可能的。最近的实验测量结果支持了对尖晶石骨架相中跳跃障碍的预测。尽管有证据表明Mg2+的嵌入可以在尖晶石氧化物的四面体位置进行，但是与反应相关的能力通常受到限制动力学缓慢。
当从含水电解质转移到非水电解质时，情况变得更糟，这是针对镁金属的电池所必需的，这表明可以通过纳米化减轻界面电荷转移的局限性。尖晶石的结构缺陷在材料的活性中也起作用，但是由于该化学载体提供了许多可能的组合，其前景仍然模糊不清。
文章简介
近日，美国伊利诺伊大学芝加哥分校Jordi Cabana课题组在国际顶级期刊ACS Energy Letters (影响因子：16.331) 上发表题为“High Capacity for Mg2+ Deintercalation in Spinel Vanadium Oxide Nanocrystals”的研究工作。
该工作证明了MgV2O4纳米晶体可以通过保留其尖晶石骨架的机制达到Mg2+脱嵌的高容量，并通过不同化学和结构敏感性的测量得到了验证。结构稳定性与其他电池相反，在其他电池中，要达到高容量，需要的变形会引入不希望的机械应变。氧化物的有利性能使含镁金属在完好无损的电池中循环。这项工作揭示了对氧化物中多价嵌入的可行性的新见解，这为使用Mg金属或Mg离子负极的高压电池的可行性提供了方向。
该文章共同第一作者为Linhua Hu，Jordi Cabana为本文通讯作者。
要点解析
图1. 尖晶石V2O4框架中四面体之间Mg迁移的最小能量路径
图2. MgV2O4纳米晶体的电化学评估
图3.
结论
在本工作中，除了展示高能量密度镁电池的新候选材料之外，这项工作揭示了对氧化物中Mg嵌入控制的新理解，图表显示了进一步改善MgV2O4电极功能的大量机会。鉴于半电池显示出良好的循环寿命，满电池故障可能表明电解液设计的改进对于平衡负极稳定性至关重要。
在放电过程中，靠近大块电解质的电极区域的还原为比整体平均值更广泛，这表明宏观离子传输不是理想的，这个问题可以通过多孔结构的创意设计来解决。作者合成的材料实际上具有复杂的缺陷化学，会在原始状态下使V以平均状态高于3价存在。因此，在四面体和八面体位点中具有Mg2+和V3+的MgV2O4，可以提供增强的镁脱嵌能力。先前的研究还表明，缺陷，特别是四面体部位的过渡金属，必须加以控制以优化对镁的阻挡。
作者对Mg-V尖晶石的缺陷化学进行更好的解释和控制，本文提供了一条通往组成和结构都最重要的材料的最佳道路。缺陷的控制将广泛地提供设计新正极的一般策略，来缓解低Mg2+迁移率的挑战。
投稿请联系contact@scimaterials.cn
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