导语
开发高能量密度、高安全的金属电池是储能领域的前沿，但高熔点金属的高表面张力导致的电极界面不相容性问题，严重制约了其发展。传统熔融法难以适用于镁等金属。北京航空航天大学杨树斌教授团队在《Advanced Materials》上发表研究，提出了一种创新的界面工程策略。研究采用脉冲焦耳加热技术（1260 K，脉冲周期秒级），将铝与卷曲MXene（V₂CTₓ）通过金属键合，成功构筑出具有纳米中空通道的“金属亲和性非范德华卷曲结构”。该独特结构能显著降低熔融金属的表面张力，实现了镁、锂、镓等多种金属的高质量复合。基于此制备的镁复合负极，其对称电池可稳定循环超过950小时，与Mo₆S₈正极匹配的全电池在1C倍率下循环500次后容量保持率高达90%，复合箔材的抗拉强度达到204 MPa（约为纯镁的2倍），为高稳定性金属电池的设计提供了全新平台。
研究要点
合成革新：采用脉冲焦耳加热技术，在秒级时间内实现铝与卷曲MXene的金属键合，拓扑构筑新型非范德华卷曲结构。
机制独特：卷曲结构的纳米中空与丰富悬键，通过毛细力（理论计算达43.0 MPa）与化学键合双重作用，有效降低多种熔融金属界面张力。
性能卓越：镁复合负极对称电池循环寿命>950 h，全电池500次循环容量保持率90%，复合箔材抗拉强度204 MPa。
普适性强：该策略成功应用于镁、锂、镓等多种金属体系，展现出通用材料平台的潜力。
图文解读
图1：金属亲和性机理与毛细力分析
该示意图阐明了非范德华卷曲结构提升金属亲和性的基本原理。相较于块体材料，具有纳米中空通道和丰富表面悬键的卷曲结构，能通过毛细作用有效促进熔融金属的浸润。基于杨-拉普拉斯方程的理论计算表明，半径为10-50 nm的卷曲结构在熔融镁中可产生8.6至43.0 MPa的毛细力，远高于块体材料（接近0），从力学角度揭示了其实现均匀复合的机制。
图2：脉冲焦耳加热合成路径与结构表征
本图展示了核心的合成路线与产物的微观结构。通过将铝粉与卷曲V₂CTₓ混合，在氩气氛围下施加1260K的脉冲焦耳加热（0.3秒开启，1.0秒关闭），诱导铝熔融并与MXene层间形成Al-V金属键合，实现拓扑转变。XRD图谱证实产物晶体结构与V₂AlC MAX相吻合。TEM图像清晰显示产物具有一维纳米管状形貌、开放的中空通道以及约0.69 nm的层间距，直观验证了非范德华卷曲结构的成功构建。
图3：化学价态与配位环境分析
通过XPS和X射线吸收谱研究了材料的化学状态。XPS Al 2p谱中出现的71.0 eV特征峰，证实了Al-V键的形成。V的K边XANES谱向低能方向移动，结合EXAFS及其小波变换分析，表明V的价态降低，表面终止基团部分去除，电子云密度增加。这些变化增强了材料的金属亲和性与导电性，为性能提升提供了化学基础。
图4：热稳定性、金属亲和性及力学性能
热重分析表明，该卷曲结构在800°C高温下质量损失仅0.9%，表现出优异的热稳定性。元素分布图证实镁在卷曲结构中均匀分布，展示了良好的金属浸润性。该结构对镓、锂、镁等多种熔融金属均能有效降低其表面张力。力学测试显示，Mg/Al-V₂CTₓ复合箔的抗拉强度达到204 MPa，约为纯镁箔的两倍，这归因于Mg-O-V键合形成的三维互锁增强网络。
图5：对称电池中的镁沉积行为与电化学性能
在对称电池测试中，Mg/Al-V₂CTₓ复合负极表现出更低的镁沉积成核过电位（252 mV）和更长的循环寿命（超过950小时）。弛豫时间分布分析表明其具有更低的离子扩散阻力。扫描电镜图像进一步证实，在高电流密度（3 mA cm⁻²）下沉积后，复合负极表面镁沉积均匀致密，无枝晶生成，体现了优异的沉积动力学和界面稳定性。
图6：全电池性能与界面特性
全电池测试评估了材料的实用性。接触角测试显示，复合负极对电解液的接触角仅为14°，表明其界面润湿性显著提升。电化学阻抗谱显示其电荷转移阻抗更低。与Mo₆S₈正极匹配的全电池在0.1C至2C的不同倍率下均表现出较高的比容量和良好的倍率性能。在1C倍率下循环500次后，容量保持率高达90.0%，展现了出色的长循环稳定性。
总结与展望
本研究通过脉冲焦耳加热这一高效的“自上而下”合成策略，成功创制了一种兼具金属键合、纳米中空和丰富活性位点的非范德华卷曲材料。该工作不仅解决了高表面张力金属的复合难题，实现了镁电池循环寿命与机械强度的显著提升，更重要的是，它提供了一种普适性的“材料结构设计—界面张力调控—电极性能强化”的研究范式。这种金属亲和性卷曲结构作为一个通用平台，为未来开发更多高安全、长寿命的多价金属电池（如钙、铝电池）以及柔性固态电池器件开辟了新的材料设计途径。
文献信息
Xinping Wu, Qi Zhao, Yuxuan Gao, Ziming Wang, Yuxuan Ye, Shubin Yang*. Metallophilic Non-van der Waals Roll-ups Engineered for Long-Life Metal Batteries. Adv. Mater. 2025.
https://doi.org/10.1002/adma.202520347
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