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镁硫二次电池具有能量密度高、安全性好、成本低等优点而成为最具潜力的新型储能体系。虽然很多课题组对镁硫电池性能提升做出了很多改进,但它的发展非常缓慢,至今仍然处于初级研究阶段。其中一个重要的原因是现阶段人们对于镁硫电池的反应机理还缺乏清晰的科学认识,因而无法提出有效的改进方法。本文采用原位X射线吸收光谱方法,在Mg(diglyme)2[HMDSAlC13]2电解液系统中,研究了镁硫电池衰减机理。根据我们提出的镁硫电池衰减机理,提出了有效的提升镁硫电池性能的一系列策略。具体开展了以下四部分研究工作:(1)制备单核电解液Mg(diglyme)2[HMDSAlC13]2。单核电解液相比于传统的双核电解液具有离子电导率高的特点。然而在常规含有C1的电解液中,因为C1强配位能力,容易通过桥连氯的形式与Mg2+配位形成双核电解液,造成电解液离子电导率低,电解液极化电极电势大等缺陷。本章研究内容采用溶剂预保护的方法,将Mg2+先用二乙二醇二甲醚通过配位的形式保护起来,再与AlC13反应,避免AlC13与Mg2+接触生成桥连氯。用此方法制备出的单核电解液具有极化电极电势小,循环稳定性好,电化学窗口高等特点。将此电解液应用在镁硫电池中,镁硫电池表现出很好的循环性能。(2)采用原位X射线吸收光谱研究镁硫电池衰减机理。镁硫电池虽然具有理论容量高,安全性能高等特点,但是对于镁硫电池的反应机理了解还很少,尤其对于镁硫电池的衰减机制缺乏了解,造成镁硫电池的发展非常缓慢。本章采用原位X射线吸收谱研究镁硫电池反应机理,研究发现镁硫电池第一圈放电过程可以分为三个阶段:第一阶段,生成高阶多硫化物(如:MgS8和MgS4),这一阶段的反应动力学比较快;第二阶段,高阶多硫化物还原成Mg3S8;第三阶段,Mg3S8还原成MgS,这个阶段的反应过程特别的缓慢。原位XAS实验证实:在第一圈生成的不可逆产物MgS和Mg3S8是造成镁硫电池衰减快的原因。根据以上研究结果我们采用TiS2修饰电池隔膜来削弱Mg-S键能,活化MgS和Mg3S8,提高电池的可逆循环。(3)在电解液中添加YC13添加剂提升镁硫电池循环性能。根据原位X射线吸收谱研究镁硫电池的衰减机理的实验,我们得出结论:MgS和Mg3S8是造成镁硫电池衰减快的根本原因。在这个工作中,我们首次提出在电解液中添加YC13添加剂来提高MgS和Mg3S8的可逆性。因稀土氯化物具有丰富的f轨道而被广泛用于催化反应,YC13又同时具有除水和沉积电极电势低等优势而被选择作为镁硫电池电解液添加剂。添加了YC13的电解液应用于镁硫电池表现出很好的循环稳定性。(4)采用Ag和Cu集流体替代热解石墨集流体提升Mg/S电池循环性能。此工作是提高MgS和Mg3S8的可逆性的又一有效策略。在Mg/S电池中,热解石墨通常被用作集流体,热解石墨仅作为一个电子传导体,不具有催化作用,所以以热解石墨为集流体的镁硫电池常常具有循环稳定性差、容量衰减快等特点。我们以Ag和Cu具有催化活性的集流体代替热解石墨集流体。当Ag和Cu集流体应用于镁硫电池中,镁硫电池表现出放电容量高、循环稳定性好的特点,尤其是Ag集流体。同时,我们采用原位和非原位的XRD、非原位的XPS、非原位的XAS等技术研究以Ag和Cu做集流体时镁硫电池反应机理。