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鎂金屬電池憑借負(fù)極材料的高理論容量(3833 mAh cm-3)、資源豐度及本征抗枝晶特性，被視為下一代儲能體系的有力候選。然而，其實(shí)際應(yīng)用面臨三重核心挑戰(zhàn)：界面鈍化問題：高電荷密度的Mg2+易與溶劑/雜質(zhì)反應(yīng)生成絕緣層(如MgO、MgCO3)，阻礙離子傳輸并增加成核能壘；動力學(xué)限制：強(qiáng)溶劑化作用(尤其與醚類溶劑)導(dǎo)致脫溶劑化困難，低溫下性能進(jìn)一步惡化；極端工況下的枝晶風(fēng)險：高面容量(>10 /WWW.SHYB118.COM/mAh cm-2)或高電流密度下，傳統(tǒng)水平取向的(002)鎂晶面雖熱力學(xué)穩(wěn)定，但緩慢的動力學(xué)易引發(fā)局部電場畸變和鎂枝晶生長?，F(xiàn)有策略如人工SEI或電解液改性(鹵化物/親核添加劑)雖能部分緩解鈍化，卻難以協(xié)同解決鎂負(fù)極側(cè)沉積取向失控(高面容量下無序堆積)、SEI機(jī)械穩(wěn)定性不足(循環(huán)體積變化致破裂)及溶劑化結(jié)構(gòu)僵化(脫溶劑能壘高)等瓶頸。因此，亟需開發(fā)兼具晶面調(diào)控、界面穩(wěn)定與動力學(xué)優(yōu)化的新機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)高面容量、長壽命及低溫下的無枝晶鎂金屬負(fù)極。 ??近日，科學(xué)上海硅酸鹽研究所李馳麟研究員團(tuán)隊通過引入間溴氟苯(BrFB)電解液添加劑，建立了“晶面取向調(diào)控-界面工程-溶劑化結(jié)構(gòu)優(yōu)化”的多級協(xié)同機(jī)制。在鎂沉積行為調(diào)控方面，BrFB憑借其溴/氟官能團(tuán)對Mg(002)晶面的特異性吸附，有效阻斷了鎂原子的水平堆疊生長，誘導(dǎo)形成了垂直取向的(110)晶面主導(dǎo)的均勻沉積，實(shí)現(xiàn)了高面容量下的致密陣列結(jié)構(gòu)鎂負(fù)極。在界面化學(xué)層面，BrFB在電化學(xué)循環(huán)中原位分解形成Br/F雜化SEI，其中MgBr2組分構(gòu)建低遷移能壘(0.27 eV)的離子傳輸通道，而MgF2納米域提供電子絕緣屏障和機(jī)械支撐，協(xié)同抑制負(fù)極枝晶生長與界面副反應(yīng)。在溶劑化結(jié)構(gòu)調(diào)控中，BrFB與二*二甲醚(G2)溶劑通過C-F/C-Br…H-C偶極相互作用重構(gòu)外層溶劑鞘，顯著削弱Mg2+-溶劑配位強(qiáng)度，降低脫溶劑化活化能。該協(xié)同機(jī)制使鎂對稱電池在30 mAh cm-2高面容量下穩(wěn)定循環(huán)280小時(鎂利用率89%)及-20℃低溫下穩(wěn)定運(yùn)行600 小時；過電位顯著降至190 mV，并可實(shí)現(xiàn)7000小時的長穩(wěn)定循環(huán)，突破了已報道添加劑策略的壽命極限。匹配CuS正極的全電池在300 mA g-1下保持了155 mAh g-1可逆容量，證實(shí)了該策略對高能量密度鎂電池實(shí)用化的推進(jìn)價值。相關(guān)成果發(fā)表于EnergyWWW.shsaic.net/ Environ. Sci. 18, /WWW.SHYB9.COM/7254-7266, 2025。 ??團(tuán)隊也設(shè)計了基于強(qiáng)路易斯酸堿相互作用促進(jìn)金屬氟化物解離并構(gòu)建親鎂界面層的負(fù)極改性策略，實(shí)現(xiàn)了無氯鎂電池的穩(wěn)定運(yùn)行。在含有路易斯堿性位點(diǎn)的三氟甲烷磺酸鎂添加劑促進(jìn)Sb-F鍵解離后，在Mg電極表面制備了親鎂的Sb骨架。而置換產(chǎn)物MgF2具有不同尋常的單斜結(jié)構(gòu)，可以提高界面內(nèi)的電子絕緣和Mg2+傳輸，保證Mg2+的快速擴(kuò)散，抑制電解質(zhì)的鈍化。同時，界面副產(chǎn)物氟氧化銻的存在能夠降低鎂離子去溶劑化的能壘，并且在快速鎂沉積和剝離過程中氟氧化銻的持續(xù)還原可彌補(bǔ)失效的親鎂Sb位點(diǎn)，提高鎂電池的長期循環(huán)穩(wěn)定性。在這種人工SEI保護(hù)下，對稱電池在常規(guī)Mg(TFSI)2/DME電解質(zhì)中，在1 mA cm-2的高電流密度和5 mAh cm-2中的高面容量下可實(shí)現(xiàn)>2000小時的鎂沉積/剝離循環(huán)。相關(guān)成果發(fā)表于Adv./WWW.SHHZY3.CN/ Energy Mater.WWW.ZGHQ5.COM/ 14, 2401507, 2024。 ??該團(tuán)隊也聯(lián)合上海大學(xué)高彥峰教授提出采用聚(3，4-二氫-2H-吡喃)(polyDHP)對鎂金屬負(fù)極進(jìn)行改性來調(diào)控界面溶劑化結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速的Mg2+傳導(dǎo)。WWW.SHYBDJ6.NET/PolyDHP固有的空間位阻以及其與Mg2+的靜電相互作用能夠降低*溶劑化鞘層中的溶劑分子，增加陰離子和polyDHP的含量，從而降低Mg2+的去溶劑化能壘。并且，在鎂負(fù)極表面低聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變作用下，界面相在-20 ℃下具有更規(guī)整的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出更加連續(xù)的離子傳輸通道，從而首次實(shí)現(xiàn)了鎂金屬電池的低溫可逆循環(huán)。室溫時，在5 mA cm-2和10 mAh cm-2條件下，鎂對稱電池能夠循環(huán)5000 小時；/WWW.SHZY4.COM/-20 ℃時，在3 mA cm-2和3 mAh cm-2條件下，鎂對稱電池能夠循環(huán)1300 小時，采用CuS正極的全電池能夠穩(wěn)定循環(huán)200圈。這項工作為鎂金屬電池在極端環(huán)境下應(yīng)用提供了新的解決方案。相關(guān)成果發(fā)表于ACS Nano 19, 16877-16889, 2025。 ??上述工作*作者分別是上海硅酸鹽所博士生李古月和碩士生王騰飛，通訊作者是上海硅酸鹽所陳克藝副研究員、上海大學(xué)高彥峰教授和李馳麟研究員，相關(guān)研究工作得到了*自然科學(xué)基金和上海市科委等項目的資助和支持。 圖1 對稱和半對稱電池的電化學(xué)性能 圖2 MBG電解質(zhì)中的鎂沉積行為 圖3溶劑化結(jié)構(gòu)的表征和理論計算 圖4 CuS||Mg全電池的電化學(xué)性能 圖5構(gòu)建持續(xù)釋放親鎂位點(diǎn)的富氟界面層實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定無氯鎂金屬電池 圖6吡喃基聚合物調(diào)控界面溶劑化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)具有高面容量和低溫耐受性的鎂金屬電池 分享到：