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議的鎂枝晶生長導(dǎo)致了較低的庫侖效率和潛在的安全問題，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，梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計在調(diào)控電場分布、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，然而梯度特性的實現(xiàn)往往依賴于復(fù)雜的表面修飾，制約了電池的批量生產(chǎn)和實際應(yīng)用。針對以上問題，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士團(tuán)隊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
通過調(diào)控主體材料各層級中羧基化多壁碳納米管與針葉木纖維的比例，實現(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，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)自下而上的沉積過程和電化學(xué)性能
三梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點在于：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”；中間過渡層則可以避免因頂層與底層梯度差異過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際應(yīng)用價值，該工作同時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）
