上海交大/密西根大学，CPB观点：利用有机硫醚氧化还原介体（TTF）电解液添加剂来获得高性能镁硫电池

第一作者：姚赢赢

通讯作者：邹建新，Richard Laine

单位：上海交通大学，密西根大学安娜堡分校

镁硫电池因高理论能量密度和镁负极安全性被视为后锂电时代的新型储能技术，但其发展面临以下一些问题：动力学迟滞，放电产物MgS/MgS₂的不可逆氧化引发严重极化与容量衰减；多硫化物穿梭效应引发镁负极腐蚀，传统电解液中形成的MgF₂钝化层阻碍Mg²⁺传输。现有电解液添加剂（如MgCl、MgBr₂）虽能构建非钝化界面，但会腐蚀集流体且与硫正极本质不兼容，亟需开发兼顾正负极稳定的新型电解液设计策略。

近日，来自上海交通大学的邹建新教授团队联合密西根大学安娜堡分校Richard Laine教授在国际知名期刊Composites Part B：Engineering上发表题为“Boosting Magnesium Sulfide Reaction Through Organosulfide Redox Mediator for High Performance Mg–S Batteries”的研究文章。该研究论文中，作者通过首次在镁硫电池中引入四硫富瓦烯（TTF）作为多功能电解液添加剂（图1），通过构建有机-无机复合SEI层抑制MgF₂积累（XPS证实F含量从3.9 at.%降至1.39 at.%），使Mg||Mg对称电池实现1000小时稳定循环，同时在正极作为“电子桥”（TTF/TTF+氧化还原对）提升硫氧化效率至90%，并通过原位拉曼光谱证实TTF稳定短链多硫化物（S₄^2-/S^3-）优化反应路径，从而使Mg-S电池在0.2C下循环200次后容量保持400 mAh·g^-1，显著优于空白电解液的160 mAh·g^-1@100圈。尽管TTF添加剂增加成本，但通过延长循环寿命和提升倍率性能（1C下保持320 mAh·g^-1）降低全周期使用成本，为高性能镁硫电池提供了参考。

TTF通过π-电子离域促进Mg²⁺脱溶剂化，形成含MgS-/HS-的有机-无机复合SEI（TOF-SIMS验证）。XPS深度剖析显示SEI中MgF₂含量从3.9 at.%降至1.39 at.%，使Mg||Mg对称电池在0.5 mA·cm^-2下实现1000小时稳定循环。SEM证实0.1 M TTF电解液诱导均匀纳米镁沉积（50-100 nm），而空白电解液产生裂纹状多面体结构。

TTF作为氧化还原介体通过电子转移（TTF→TTF⁺）激活惰性MgS/MgS₂。非原位XPS证实含TTF体系硫氧化效率从13%提升至90%，S K-edge XANES显示TTF通过形成MgS-TTF复合物增强S2-电子密度。CV分析揭示TTF将硫氧化反应机制从扩散控制转向混合控制。

0.1 M TTF电解液使Mg-S电池在0.2C下循环200次容量保持400 mAh·g^-1，容量衰减率仅0.5 mAh·g^-1/圈。1C高倍率下保持320 mAh·g^-1，恢复0.1C后容量回升至660 mAh·g^-1。虽然TTF增加电解液成本，但通过延长循环寿命和提升倍率性能，降低全周期使用成本。

该工作首创有机硫醚介体激活MgS氧化的新方法，突破传统添加剂无法兼容正负极的局限。未来研究需深入解析TTF氧化态与多硫化物的分子作用机制，并探索低成本TTF衍生物以推进镁硫电池的产业化应用。

Boosting magnesium sulfide reaction through organosulfide redox mediator for high performance Mg–S batteries

邹建新教授简介：上海交通大学材料学院特聘教授，教育部高层次人才、英国皇家化学会会士、氢科学中心副主任、国家重点研发计划首席科学家、氢电储能联合实验室主任。主要从事镁基能源材料方面的基础研究与应用开发工作，已在Science、Energy Environ. Sci、Adv. Mater.等期刊上发表论文200余篇，被引超过9300次，获评“全球前2%顶尖科学家”终身榜，担任Nano-Micro Lett.等国际期刊副主编；获得发明专利20多项，其中9项专利转让于企业，授权PCT专利3项，日本专利1项，美国专利2项。曾获2023年中国有色金属工业科学技术奖一等奖，2024年中国产学研合作促进会创新成果一等奖，2021年国际镁学会年度产品奖，2023年国际镁协未来技术奖，2024年IEA Hydrogen TCP奖等。

Richard Laine：美国密西根大学材料科学与工程系教授、高分子科学与工程中心主任、美国Mayaterials有限公司执行总裁。主要从事有机-无机杂化材料的研究，包括有机金属化合物、有机金属高分子和氧化物纳米材料的合成工艺及光电性能、稻壳灰制备多功能POSS纳米结构单元、离子电池固态电解质等。已在Nature、Nature Mater.、Adv. Mater.、Angew. Chem.、JACS等国际著名期刊发表SCI论文250余篇。

姚赢赢：博士毕业于上海交通大学材料科学与工程学院，已在Compo Part B, Chem Eng J, J Mater Chem A, J Alloy Compd等期刊发表多篇研究论文。