田华军教授、杨阳教授， AFM：面向高安全、高能量密度可充电多价金属离子电池的电沉积化学

环境污染问题使得人们开始关注清洁高效的可再生能源的开发和利用，而可再生能源的地域性特点使得大规模储能系统的开发变得尤为重要。商业化锂离子电池技术瓶颈制约了其发展。开发单位储能成本更低、安全性更高、电化学性能更好的储能电池的需求日益增长。可充电多价金属离子电池(RMIBs)，如Zn²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺和Al³⁺离子电池，由于其低成本，高安全性，高体积能量密度和可操作实用性而受到广泛关注。

近日，华北电力大学的田华军教授、美国中佛罗里达大学的杨阳教授在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Electrodeposition Chemistry Toward High-Safety and High-Energy-Density Rechargeable Multivalent Ion Batteries”的综述文章。该文章综述了RMIBs负极电沉积化学研究的发展历史、最新进展和基本机理。本工作希望通过对负极电沉积化学的总结分析进一步加快推进RMIBs实际应用。

电沉积技术始于19世纪，早期用于贵金属装饰和合金制备，20世纪后理论逐渐完善，广泛应用于工业领域。距今已经发展百余年，该文简要概述了电沉积技术的发展历史与基本原理，首次归纳了电沉积技术与多价金属离子电池内部的电沉积行为机制分析结合。对电沉积过程中涉及的液相传质、电荷转移和电结晶等步骤涉及的原理进行简要介绍。通过对实现电沉积的关键参数如电镀液（主盐、络合剂、pH缓冲剂，添加剂等），沉积模式（恒电流/恒电压沉积和脉冲沉积等），基底的选择，沉积层质量，形貌调控等深刻分析。

通过多电子转移电极反应的RMIBs，作为一种新开发的储能技术，已成为未来电网应用的储能解决方案的有吸引力的候选者。多价离子电池因其低成本、高安全性和高能量密度受到关注，但发展受到正极材料循环性能差、负极枝晶，腐蚀，析氢等问题的限制。多价金属电荷载体是多价金属离子电池的关键组成部分，其物理化学性质与电荷存储机制对于设计与电解液兼容的电极材料十分重要。理解RMIBs负极沉积的基本机制对于推进RMIBs的实用化同样具有重要意义。

在电池内部沉积过程中，利用电沉积技术调控电极表面形貌、晶体取向，对于优化金属沉积结构、抑制枝晶生长和延长电池寿命至关重要。采用不同的电沉积技术直接制备电池正负极，进行晶面调控或合金化；或通过电沉积构建集流体，引入掺杂与缺陷，制备柔性电极，引入涂层等，都能显著提升电池电化学性能。

当前，随着全球对储能需求的持续上升以及对电池安全性和成本效益的关注增加，RMIBs有望在电力等多个场景中发挥关键作用电网储能和通信基站。本工作系统地阐述了RMIBs的阳极和阴极中存在的问题，并对通过电沉积技术对电极材料的改性进行了总结和讨论，为后续的研究提供了一定的参考。然而，在实现高效RMIBs的道路上还需要考虑一些问题。多价金属阳离子的高电荷密度特性使得溶剂化过程复杂而缓慢，常规多价金属离子电池电解液中的溶剂化鞘层结构动力学阻碍了离子的扩散。如何利用先进的原位表征技术来跟踪多价离子的动态行为，并将理论计算与材料结构和性能之间的关系结合。超越实验室级别电池的局限性，基于工业应用的要求进行大容量多价金属离子电池电化学性能测试，实现从实验室研究到商业化的过渡是未来研究的重点。