重庆大学潘复生院士团队镁电池最新进展：真空热蒸发制备(002)晶面主导的六方柱阵列超薄镁箔负极

第一作者：浦蕊

通讯作者：岳继礼、文恬恬、黄光胜

通讯单位：重庆大学材料与科学工程学院、国家镁合金材料工程技术研究中心、重庆新型储能与装备研究院

因镁资源丰富、镁金属负极体积理论容量高（3833 mAh cm⁻³）、不易形成枝晶，可充电镁电池（RMBs）是储能技术的有力竞争者。然而，镁具有密排六方（HCP）结构，室温下塑性较差，传统轧制法制备超薄镁箔（≤50μm）面临加工难度大、表面氧化、裂纹缺陷等问题。此外，轧制镁箔表面粗糙、晶粒尺寸不均匀，导致Mg²⁺通量分布不均、沉积/剥离行为不稳定，严重制约了镁电池的能量密度和循环寿命。因此，开发一种简便、可控、可规模化的超薄镁负极制备方法，并调控其晶体取向以优化电化学性能，具有重要的科学意义和应用价值。

近日，重庆大学潘复生院士团队提出采用真空热蒸发（VTE）技术在铜基底上直接沉积制备超薄镁箔（Mg@Cu，镁厚度约10 μm）。该方法利用真空条件下镁的升华-沉积行为，通过固-气-固（SVS）机制生长出以(002)晶面为主导的、均匀分布的六方柱阵列结构。实验表明，该(002)晶面优先取向的镁负极具有优异的电解液润湿性（接触角22.83° vs. 轧制镁45.72°）和极低的界面能（与Cu(220)的界面能仅1.01 J·m⁻²）。基于Mg@Cu的对称电池在2 mA cm⁻²、2 mAh cm⁻²的严苛条件下（镁利用率高达52%）可稳定循环超过1000 h，极化仅约150 mV。进一步组装Mg@Cu||Mo₆S₈全电池，在1 C下循环1500圈后仍保持76.6 mAh g⁻¹的比容量，优于轧制镁负极（67.2 mAh g⁻¹）。此外，该VTE方法可实现大面积（12 cm × 18 cm）镁箔的制备，并在软包电池中展现出显著降低的极化（~160 mV vs. 轧制镁软包~411 mV）。该工作为超薄镁负极的规模化制备提供了新思路，相关研究成果以Magnesium Foil Composed of (002) Facet Dominated Hexagonal Prism Arrays Prepared by Vacuum Thermal Evaporation as Anode for Rechargeable Magnesium Batteries 为题发表于国际顶级期刊ACS Energy Letters。

传统轧制法制备镁箔需要反复变形和多道次热处理（如图S1所示），工序复杂、能耗高，且难以获得厚度均匀的10 μm以下超薄镁箔，易产生裂纹和表面氧化。相比之下，真空热蒸发（VTE）法利用镁在真空条件下沸点降低、可直接升华的特点，通过一步式物理气相沉积，在较低温度下实现镁从固态→气态→固态的转变，无需复杂加工和后续热处理。该方法不仅简化了工艺流程，还显著降低了能源消耗，是一种绿色、高效的镁箔制备技术。

本研究采用真空热蒸发法，在真空度优于10⁻³ Pa条件下，将固态镁锭加热升华，镁蒸气在铜基底上凝结生长。通过优化蒸发电流（140 A）和时间（20–80 min），可获得厚度为3–13 μm的镁箔。XRD和EBSD结果表明，所制备的Mg@Cu负极具有强烈的(002)晶面择优取向，I(002)/I(101)比值高达15.7，且晶粒细小（平均533.6 nm）、分布均匀。DFT计算显示，Cu(220)与Mg(002)的界面能最低（1.01 J·m⁻²），有利于镁沿基面定向生长，最终形成由六方片状晶体堆叠而成的柱状阵列结构。

得益于均匀的(002)织构和细晶结构，Mg@Cu负极在APC电解液中表现出更低的接触角（22.83° vs. 轧制镁45.72°）和更小的成核过电位（0.2 mA cm⁻²下0.203 V vs. 0.294 V）。Mg@Cu||Mg@Cu对称电池在2 mA cm⁻²、2 mAh cm⁻²（镁利用率52%）条件下可稳定循环超过1000 h，极化仅约150 mV；而轧制镁对称电池在约650 h后即发生短路。在Mg@Cu||Mo₆S₈全电池中，1 C循环1500圈后仍保持76.6 mAh g⁻¹的比容量，明显高于轧制镁全电池的67.2 mAh g⁻¹。此外，软包电池测试也表明Mg@Cu||Mo₆S₈的极化（~160 mV）远小于轧制镁软包（~411 mV），充分展示了其优异的界面稳定性和循环性能。

真空热蒸发法不仅能够制备出高性能的(002)织构超薄镁箔，还具有良好的可扩展性。本研究已成功制备出12 cm × 18 cm的大面积镁箔，并组装了软包全电池，表现出显著优于轧制镁软包的电化学性能。VTE法的设备成熟、工艺窗口宽、批次重复性好，且可通过卷对卷沉积实现连续生产，满足工业化制造需求。未来，通过优化蒸发源设计、基底传送速度和在线厚度监控，有望进一步降低生产成本，推动超薄镁负极在可充电镁电池中的商业化应用，为高能量密度、高安全性的下一代储能技术提供关键材料支撑。

Magnesium Foil Composed of (002) Facet Dominated Hexagonal Prism Arrays Prepared by Vacuum Thermal Evaporation as Anode for Rechargeable Magnesium Batteries

岳继礼：重庆大学材料科学与工程学院副教授/硕导，长期从事新能源电池材料与器件的基础研究和工程应用开发工作。曾主持国家自然科学青年基金、重庆市留创等项目，作为研究骨干参与镁电池的国家重点研发项目、电池材料和储能材料方面的中国工程院院地合作战略咨询项目等。他的研究领域为离子电池电极材料的设计，主要包括镁离子电池、镁合金负极、电极/电解液界面；层状正极材料及新型电池材料；电化学反应机理。其中以第一作者或通讯作者在国际期刊发表论文20余篇，如Nano-Micro Lett., Adv. Funct. Mater.，ACS Energy Lett.，Energy Storage Mater.，J. Phys. Chem. Lett.，J. Mater. Chem. A等。

文恬恬：重庆大学材料科学与工程学院助理研究员，主持国家自然科学青年基金、博士后面上基金。致力于电化学、储能材料、化学-材料学科交叉领域的研究，主要包括新型镁离子电池负极SEI膜的构筑及界面调控、高比能镁电池关键电极材料及新型电化学储能材料与器件等。

黄光胜：重庆大学材料科学与工程学院教授/博导，重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心副主任、国家储能技术产教融合创新平台电化学储能中心主任，中国能源学会专家委员会新能源专家组副主任、中国有色金属学会新能源材料发展工作委员会委员、中国材料研究学会镁合金分会理事。主要从事镁合金板材与镁电池负极的研究，二十年来承担了国家项目20余项，发表学术论文250余篇，申请国家发明专利69项（其中授权21项），获省部级和国际奖8项。