【概述】
可充電鎂電池（RMBs）具有體積容量大、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點，是繼鋰離子電池之后的新型儲能研究領域崛起的一大新星，備受國內外眾多學者的關注。近日，北京科技大學范麗珍教授團隊對近年來可充電鎂電池（RMBs）關鍵材料的研究進展進行了歸納總結。根據(jù)反應機理，對插層型正極和轉化型正極等正極材料進行了詳細的分類和介紹，闡明了正極材料結構對Mg2+離子遷移動力學的影響；闡述了Mg負極材料的改性和界面問題；分析了各類電解質材料的獨特優(yōu)勢與存在的不足；并簡要討論了該領域面臨的主要機遇和挑戰(zhàn)。
【圖文解讀】
圖1對比各種金屬電極的理論容量（圖1a）、還原電位（圖1b）和在地殼中的豐度（圖1c），結果顯示：鎂具有高的理論容量（3833mAh cm-3），低的還原電位（-2.37 vs SHE）和豐富的地殼含量。更重要的是，與鋰負極相比，鎂負極在循環(huán)過程中不產(chǎn)生枝晶，更安全，并在許多電解質中能夠實現(xiàn)可逆沉積/剝離?；谏鲜鲈颍琑MBs有望成為潛在的大規(guī)模儲能系統(tǒng)之一。
圖2在RMBs體系充放電的過程中，可以實現(xiàn)Mg2+離子在正負極活性材料中的嵌入/脫出反應（圖2a），從而實現(xiàn)鎂離子的可逆循環(huán)。然而，在含有普通鹽（MgTFSI、MgClO4）的非質子溶劑中，鎂負極表面鈍化膜的存在阻礙了Mg2+離子的可逆沉積，導致其庫侖效率較低。而且由于Mg2+的大極化度和強溶劑化性，嵌入無機基質中的雙電子轉移過程困難，現(xiàn)有的鋰電池正極材料不能很好地應用于RMBs。因此，國內外學者針對上述原因就RMBs關鍵材料進行大量研究（圖2b）。目前研究所得鎂電池正負極材料的容量和電壓的關系如圖2c所示。
圖3 RMBs的關鍵材料包括正極、負極和電解液。根據(jù)反應機理，對插層型正極（層狀化合物、聚陰離子型化合物、Chevel相等）和轉換型正極（硫族化物、有機物等）材料進行分類和介紹，闡明結構對Mg2+離子遷移動力學的影響；對Mg負極材料（鎂金屬、合金化合物等）的改性和界面問題進行詳細闡述；分析液態(tài)電解質（格林試劑、含硼試劑等）和固態(tài)電解質（有機固態(tài)電解質、有機-無機復合固態(tài)電解質等）材料的獨特優(yōu)勢與存在的不足。
下面對文章中部分內容及主要思想進行簡單介紹：
圖5 幾種典型插入型層狀正極材料的晶體結構。充放電過程中，鎂離子在材料的層間進行可逆嵌入/脫出，因此，材料層間距的大小對儲鎂性能有著重要的影響。通過超聲、利用小分子插層、或將納米材料與之復合，不僅能夠防止材料層與層之間的堆疊，而且可以增大材料的層間距，加快鎂離子的遷移動力學，進而獲得優(yōu)異的儲鎂性能。
圖15 有機材料是一種典型的轉化型儲鎂正極材料。轉化型材料充分利用充放電過程中結構重排和化學鍵斷裂所釋放的巨大容量，這些相結構的變化是電化學可逆的。因此，通過打破框架的限制，轉化型正極材料的Mg儲存性能可以達到插入型正極材料的幾倍。
金屬鎂負極耐腐蝕性較差，表面生成的鈍化膜使Mg2+難以通過，從而限制了其電化學活性；相比于單純的金屬鎂負極，將Sn，Sb和Bi等金屬與Mg進行合金化反應所形成的金屬間化合物，具有高體積容量和較低的過電勢，如圖18所示，測試結果表明所得合金化合物是一類潛在的高比能可充鎂電池負極材料。
電解質在電池中起著傳遞離子的作用，尋求兼具高的離子電導率、寬的電化學穩(wěn)定窗口以及能夠可逆沉積/溶解鎂的電解質材料是推動鎂離子電池發(fā)展的必要條件，如圖19所示。
【結論】
可充電鎂電池目前已經(jīng)成為新型儲能研究領域崛起的一大新星，發(fā)掘多種類的電極材料、優(yōu)化電解質體系是推進鎂離子電池性能的關鍵。現(xiàn)階段對鎂離子電池關鍵材料的研究取得了一定程度的進展，但還需要進一步完善。今后的研究主要集中在以下4個方面：
1) 合理設計正極材料的結構，減小Mg2+在其中的極化作用；
2) 對鎂負極進行優(yōu)化改性，盡可能地減少或消除鈍化膜，促進Mg2+的快速傳輸；
3) 構建能夠實現(xiàn)鎂的可逆沉積/溶解而不腐蝕集流體的電解質材料，增強電極與電解質間的界面穩(wěn)定性；
4) 深入探究電極材料的儲鎂機理、理解及預防失效機制。通過合理的設計材料的結構、優(yōu)化電極/電解質體系，最終實現(xiàn)高容量、長壽命、高安全可充鎂電池的構建，進而推動其在商業(yè)化大規(guī)模儲能領域的廣泛應用。
【參考文獻】：
Fanfan Liu, Tiantian Wang, Xiaobin Liu, and Li-Zhen Fan*, Challenges and Recent Progress on Key Materials for Rechargeable Magnesium Batteries. Adv. Energy Mater. 2020, 2000787; DOI:10.1002/aenm.202000787.
