电子科大孙威团队Mg‑air电池新进展：动态水解离子配对，在贫电解液下实现高镁阳极利用率- 大数跨境

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电子科大孙威团队Mg‑air电池新进展：动态水解离子配对，在贫电解液下实现高镁阳极利用率

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2025-12-12

导读：电子科大孙威团队Mg‑air电池新进展：动态水解离子配对，在贫电解液下实现高镁阳极利用率

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文章信息

动态水解离子配对策略在贫电解液镁空气电池中实现稳定界面与高阳极利用率

第一作者：张玉玺，虞森森

通讯作者：李明*，孙威*

单位：电子科技大学

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研究背景

镁空气电池（MABs）因其超高理论容量（3833 mAh cm⁻³）和能量密度（6800 Wh kg⁻¹）、低成本及环境友好性，被视为下一代大规模储能系统的理想选择。然而，实际应用中镁阳极/电解液界面的自腐蚀和氢析出反应严重降低了阳极利用率，加之传统设计中电解液用量过多，显著限制了镁空气电池的实际能量密度。在接近实际应用的贫电解液条件下，这些问题尤为突出，往往导致电池快速失效和工作电压显著下降。如何在减少电解液用量的同时实现高阳极利用率，成为突破MABs实用化瓶颈的关键科学问题。

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文章简介

近日，电子科技大学孙威教授团队在高性能镁空气电池领域取得重要突破，在国际知名期刊上发表题为"Dynamic Hydrolytic Ion-Pairing Enables Stable Interfaces and High Anode Utilization in Lean-Electrolyte Mg-Air Batteries"的研究论文。该研究创新性地提出了一种动态水解离子配对策略，采用NaOAc+Mg(OAc)₂复合（NM）混合电解液，在贫电解液条件下实现了界面化学的稳定调控与副反应的有效抑制。通过原位pH监测、原位XRD分析和扫描电化学显微镜（SECM）等综合表征，研究团队揭示了OAc−与Mg²⁺之间的水解驱动相互作用机制，不仅能有效抑制自腐蚀和氢析出反应，还能稳定电极/电解质界面。该策略使镁阳极利用率从传统NaCl电解液中的11%大幅提升至51%（贫电解液条件，60 μL）。基于此策略组装的板式MABs实现了安时级容量（>1.8 Ah）和高能量密度（2022 Wh kg⁻¹，基于镁阳极质量），阳极利用率达81%。此外，研究团队还成功开发了AA型圆柱形MABs原型，在仅300 μL电解液条件下实现188 mAh容量和54%的阳极利用率。这项工作为高能量密度MABs的实用化提供了有效策略。

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本文要点

要点一：重新审视 Mgair 的“真实”能量密度——贫电解液的重要性

作者首先对目前常见的三类MABs结构进行了对比分析：扣式电池、Swagelok电池和流动电池，并给出了实际能量密度的估算公式：

计算结果表明降低电解液/阳极质量比并提升阳极利用率，是接近MABs理论能量密度的关键路径。因此，如何在贫电解液条件下，兼顾抑制自腐蚀/析氢、稳定pH波动与界面化学，成为推动MABs走向实用化的核心挑战。

图 1. 贫液条件下镁空气电池面临的挑战。a）扣式电池、Swagelok电池和液流电池的示意图。b）不同类型装置中各组件的质量占比及相应的理论能量密度。c）扣式电池、Swagelok电池和液流电池在NaCl电解液中的恒流放电曲线。d,e）在常规NaCl电解液（d）和设计的NM混合电解液（e）中，镁空气电池放电过程的示意图。

要点二：动态水解离子对稳定界面化学，协同抑制自腐蚀与析氢反应

针对传统NaCl电解液中Cl−强侵蚀、pH急剧波动的问题，作者构建了NaOAc与Mg(OAc)₂复合的NM混合电解液，利用OAc−与Mg²⁺的耦合水解和平衡沉淀，将体系pH自限在弱碱区间。与NaCl相比，含OAc−电解液中Mg阳极自腐蚀和析氢明显减弱，局部pH波动被有效抑制，为提升镁阳极利用率提供了温和、稳定的化学环境。

图2. 镁阳极在NaCl、NaOAc和NM混合电解液中的腐蚀行为研究。a）不同电解液的初始pH值。b,c）不同电解液中，镁阳极附近电解液在静置状态（b）和放电过程（c）中的实时pH值变化。d）不同电解液中的阴极极化曲线。e）不同电解液中镁阳极上的线性扫描伏安（LSV）曲线。f）开路电位条件下的析氢测试。g）用于探测镁基底上析氢反应的SECM实验示意图。h,i）NaCl（h）和NM混合（i）电解液中镁基底析氢行为的SECM反馈图像。

要点三：调控Mg(OH)₂生成位置，构筑致密保护层

在NM电解液中，放电生成的Mg²⁺更倾向于在空气电极侧捕获OH⁻并形成 Mg(OH)₂，避免在Mg表面局部大量沉积。由此得到更薄、更致密、更均匀的钝化层，SECM显示表面活性位点大幅减少，XPS证实界面化学分层清晰，有利于在贫电解液下保持稳定、可控的Mg/电解液界面。

图3. 在NaOAc和NM混合电解液中放电过程中镁阳极表面的钝化行为研究。a）在不同电解液中放电12小时后阳极表面的白光干涉显微镜粗糙度测量结果。b）在1 mA cm⁻²电流密度下放电12小时后（未去除放电产物）的镁阳极表面SEM图像。c,d）在1 mA cm⁻²电流密度下放电12小时后（未去除放电产物）的镁阳极截面形貌。e）不同电流密度下阳极放电电位变化曲线。f）用于探测镁基底表面反应活性的SECM实验示意图。g,h）在NaOAc（g）和NM混合（h）电解液中放电12小时后阳极的SECM反馈图像。

图 4. 在NaOAc和NM混合电解液中，放电过程中Mg²⁺对OH−的捕获机制。a,b）分别在NaOAc（a）和NM混合（b）电解液中放电时，正极的原位XRD表征。c,d）分别在NaOAc（c）和NM混合（d）电解液中以1 mA cm⁻²的电流密度放电12小时后，截面的SEM图像和EDS分析。e,f）通过XPS深度剖析分析，分别在NaOAc（e）和NM混合（f）电解液中放电1小时后，Mg阳极不同深度的Mg 1s XPS光谱。信号是使用Ar⁺簇离子源进行溅射后，从表面到体相采集的。g）不同电流密度下的阴极放电电位变化曲线。

要点四：从扣式到AA电池，高能量密度 Mgair 的实用化探索

在机理明确之后，作者系统评估了NM复合电解液在不同装置与工况下的电化学性能，重点在贫电解液场景下的现实可行性。在贫电解液条件下（60 μL），NM混合电解液使镁阳极利用率提升至51%，远高于NaCl电解液的11%。板式MABs实现了1888 mAh的高容量、2022 Wh kg⁻¹的高能量密度（基于镁阳极质量）和81%的高阳极利用率。值得一提的是，团队首次组装了AA型圆柱形MAB原型，在300 μL贫电解液条件下，实现了188 mAh容量、54%的阳极利用率和1.6 μL mAh⁻¹的低电解液/容量（E/C）比。这些结果显著优于先前报道的MABs，证明了该策略在实际应用中的巨大潜力。

图 5. 贫电解液条件下MABs在NaOAc和NM混合电解液中的电化学性能。a）采用不同电解液的扣式电池在静置过程中的开路电压。b）扣式电池的恒流间歇放电曲线。c）扣式电池在1 mA cm⁻²电流密度下的恒电流放电曲线。d）扣式电池在不同电流密度下的恒电流放电曲线。e,f）Swagelok电池（e）和流动电池（f）在1 mA cm⁻²电流密度下的恒电流放电曲线。g）平板电池在0.25 mA cm⁻²电流密度下的放电性能，插图显示了平板电池的示意图和实物照片。h）AA型MAB在5 mA cm⁻³电流密度下的放电性能，插图显示了AA型MAB的示意图和实物照片。

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文章链接

Dynamic Hydrolytic Ion-Pairing Enables Stable Interfaces and High Anode Utilization in Lean-Electrolyte Mg-Air Batteries

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171516

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通讯作者简介

李明博士简介：李明博士于2023年加入电子科技大学材料与能源学院，任讲师。长期从事高性能水系金属离子电池开发，包括电极材料设计、器件组装以及原位表征等。近年来发表论文30余篇，其中以第一作者（含共同一作）、通讯作者发表多篇高水平论文，包括 Adv. Mater.（2 篇）、Angew. Chem. Inter. Ed.（ESI 高被引热点论文）、Energy Environ. Sci.（ESI 高被引热点论文）、Adv. Funct. Mater.（2 篇）、Adv. Energy Mater.、Nano Energy、Energy Environ. Mater.、Chem. Eng. J.、ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊。

孙威教授简介：电子科技大学教授，入选国家级青年人才计划。2022年1月加入电子科技大学材料与能源学院，任教授、博士生导师，入选国家级青年人才计划。2011年和2017年在华南理工大学获得工学学士和博士学位，曾先后在美国马里兰大学、德国明斯特大学从事研究工作。致力于解决新型二次电池在“机理解析-性能优化-器件构筑”环节的关键问题。主持国家自然科学基金青年基金、NSAF联合项目和四川省自然科学基金项目等。近年来发表学术论文30余篇，第一作者、通讯作者文章包括《Science》、《J. Am. Chem. Soc.》、《Adv. Mater.》《Angew. Chem. Int. Ed.》、《Energy Environ. Sci.》等期刊。曾主持和承担两项德国科教部（BMBF）电池研究项目，获美国电化学协会博士后研究奖（两名获奖人之一，2021），并受邀担任德国-以色列科技联合基金项目评审专家，Nature、AAAS、ACS、Wiley等多个出版社的期刊审稿人。