南京大学姚亚刚教授， ESM：铝钴镍三金属羟基氧化物作为高能量密度水系镁离子电池正极

水系镁离子电池（AMIBs）作为一种具有巨大应用潜力的水系储能系统，其正极开发面临着关键挑战，探索和优化高能量密度正极材料对于推动AMIBs走向实际应用至关重要。过渡金属化合物在储能应用中展现出巨大的发展潜力，NiOOH中的Ni³⁺/Ni²⁺氧化还原对以及其独特的层状结构，使正极材料能够表现出相对较高的能量密度并具有巨大的未来发展潜力。遗憾的是，NiOOH在热力学上不稳定，具有强氧化性，容易被还原为氢氧化镍[Ni(OH)₂]而失去储镁能力，因此提升正极稳定性便显得尤为重要。另外，在水系电解质稳定性窗口内提升工作电压也是提高AMIBs能量密度的可行途径。本研究在NiOOH中引入Al、Co元素进行改性，提升了正极的能量密度与循环稳定性，优化其电化学性能表现。

近日，南京大学姚亚刚教授团队在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表了题为“Aluminum-Cobalt-Nickel Trimetallic Oxyhydroxide Cathodes for High-Energy-Density Aqueous Magnesium-Ion Batteries”的观点文章。该研究合成了一种新型铝钴镍三元金属羟基氧化物（ACNOOH）正极材料，旨在通过用铝和钴对羟基氧化镍（NiOOH）进行元素改性来克服这些限制。凭借增强的结构稳定性和加速的内部离子传输优势，ACNOOH相比NiOOH表现出了更高的循环稳定性和能量密度。这种元素改性策略显著提高了正极材料的电化学性能，有助于促进AMIBs的发展与应用。

通过共沉淀法制备前驱体后通过电化学氧化的方式制备ACNOOH电极。通过表征发现，ACNOOH与NiOOH结构相似，其中，Al、Co、Ni元素都主要以三价形式存在。

为了探究元素改性的原理，本研究制备了仅有Al元素引入的ANOOH以及仅有Co元素引入的CNOOH。研究发现，Al元素能够降低正极的费米能级，提升其放电电压，进而提升能量密度；而Co元素能够抑制充放电过程中的副反应，提升循环稳定性。二者协同作用，提升了正极材料的能量密度、能量效率以及循环稳定性。

通过准原位表征对ACNOOH的储镁机制进行探究。在充放电过程中，XRD图谱显示ACNOOH的层间距发生可逆的变化，XPS图谱显示元素价态也随之发生变化，其中，Ni元素价态变化比例较大，而Co元素价态变化比例较小，意味着ACNOOH正极的容量主要由Ni元素提供。通过DFT计算发现，相比NiOOH，ACNOOH与Mg²⁺具有更强的电荷交换能力，并且Mg²⁺在ACNOOH正极内具有更低的迁移势垒，利于提升其倍率性能。