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近日，电院李金金研究员团队在可充电镁离子电池领域取得重要研究进展，相关研究成果以“General liquid-driven coaxial flow focusing preparation of novel microcapsules for rechargeable magnesium batteries”为题，发表在Wiley旗下著名期刊《Advanced Science》（IF=15.84，2019）上，博士研究生林夕蓉为论文第一作者，李金金研究员为论文通讯作者。
可充电镁离子因其能量密度高、电极电位低、无树突形成安全性好和镁资源丰富等被认为是最有前途的下一代能源存储系统。然而，目前镁离子电池面临在正极的嵌入和扩散动力学缓慢及暂缺稳定的高压电解液这两大难题。因此寻找高容量、高倍率和循环稳定性优异的正极材料是可充电镁电池的重要课题。另外，将储能材料封装在导电封闭的环境中，可以在不影响活性材料固有性能的情况下提高其导电性。
该团队首次提出用一种新颖和通用的同轴液驱流动聚焦(LDCFF)技术来制造用于镁存储的微胶囊，以典型的二维层状结构二硫化钼(MoS2)为例，将其封装在微胶囊体系中，以提高镁电池正极的电导率和电化学性能。LDCFF技术的实验装置如图1，包括：三个注射泵、一个不锈钢同轴针、一个压力室、一个带小孔的玻璃板和一个监视器。由三个注射泵分别控制内相(Qi)(即MoS2分散液)、光固化有机外相(Qo)和驱动相(Qf)的流体流速。由于射流的不稳定性，同轴液体射流最终破碎成液滴。收集液滴在紫外光照射下固化，并经冷冻干燥后煅烧，最终形成以MoS2纳米球为核心的碳壳微胶囊。通过相关材料表征成功制备出直径约为32微米的MoS2微胶囊以解决可充电镁电池导电性不足的问题。
图1 LDCFF技术生产MoS2微胶囊的实验装置。
图2 MoS2微胶囊相关表征。
在生产制备过程中,LDCFF技术不仅能够制备出粒径分布均匀、指定负载、封装效率和产能高、可控性好的单分散MoS2微胶囊，还能实时动态调控大小，只需改变三相流体的流速即可,无需停止反应。
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图3 (a)锥-射流结构变化的实验图像。(b)光学图片、(c)低倍、(d)高倍SEM图。
对于i)，流体流速：Oi=Qo，Qf=700 mL h-1。对于ii)，液体流速：Oi=3ml h-1，Qo=4ml h-1。
对于iii)，液体流速：Qi+Qo=18 mL h-1，Qf=700 mL h-1。
图4 MoS2微胶囊的电化学性能。
在该项研究中，LDCFF技术制备的MoS2微胶囊具有优异的电化学性能和较高的电子转移动力学。在50 mA g-1电流密度下循环100次后，容量依旧维持在100 mAh g-1。不仅如此，在低温-10℃、-5℃和和45℃的条件下也表现出较高的首次放电容量，显示了其实际应用潜力。预计该研究中提出的对微胶囊的可控设计、通用生产方法,将对制备其他新兴储能材料和高性能二次电池系统产生重要意义。
该项研究工作得到国家自然科学基金，上海交大全球战略合作基金等资助。
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