香港理工大学徐正龙教授Nano Energy：乙二醇-二甲醚共溶剂电解液助力镁离子电池实现高容量、超稳定的VO2正极

第一作者：陈飞杨

通讯作者：徐正龙*

单位：香港理工大学

随着电动汽车和便携式电子设备的快速发展，亟需开发高能量和高性价比的储能系统。在众多储能技术中，可充电镁电池因其成本低、资源丰富、理论容量高及安全性优越等诸多优势而备受关注，有望成为锂离子电池的替代方案。尽管目前已开发出一系列与镁金属负极兼容的电解液体系，但针对与高容量正极适配电解液的探索仍处于初步阶段，限制了镁电池的进一步发展。目前常用的Mo₆S₈正极输出容量低（60-80mAh g^-1）；此外，与锂离子不同，镁离子具有更显著的极化效应。在传统的Mg(TFSI)₂/DME电解液中, 由于镁离子与溶剂和阴离子的强烈相互作用，在正极-电解液界面处表现出缓慢的去溶剂化以及表面钝化现象，阻碍了镁离子的传输，导致正极性能不佳。因此，开发与高性能正极适配的电解液已迫在眉睫。

近日，香港理工大学徐正龙教授提出了一种创新方法，通过在传统的Mg(TFSI)₂/DME电解液中引入低成本且富含氢键的乙二醇（EG）作为共溶剂，促进了镁离子的传输，实现与高容量正极的优异匹配。EG能够与DME形成氢键网络，破坏[Mg(DME)₃]²⁺强溶剂化结构，降低镁离子的脱溶能垒；同时，EG和TFSI^-离子之间的相互作用可以减少TFSI^-分解，抑制其在正极表面钝化，从而提高循环性能。因此，当应用于VO₂高容量正极上时，电池容量可达258 mAh g^-1，循环2000次后容量保持率高达84.4%。该研究为长寿命、高能量密度的可充电镁电池电解液的研发提供了新的可能性。其成果以题为“Glycol-glyme Co-Solvent Electrolytes Enable High-capacity and Ultrastable VO₂ Cathodes in Magnesium Ion Batteries”在国际知名期刊Nano Energy上发表。

在共溶剂电解液Mg(TFSI)₂ EG/DME中，EG可以取代部分Mg²⁺溶剂化结构中的DME以及和DME形成氢键网络，破坏传统电解液中[Mg(DME)₃]²⁺强溶剂化结构，促进镁离子的传输。

高容量的VO₂正极在不同的电解液中因溶剂特性的差异展现出不同的电化学特性。其中，在共溶剂电解液中表现最佳，容量高达258 mAh g^-1，并能够实现2000次的稳定循环。

在共溶剂体系中，EG的加入促进了Mg²⁺在正极中的嵌入，表现出比传统醚类电解液更优越的动力学特性。同时，在正极-电解液界面（CEI）处，EG能够形成缓冲层，减少TFSI^-的分解，抑制表面钝化的发生，从而实现循环的稳定进行。

综上所述， 本研究证明了通过使用乙二醇作为共溶剂，改善传统醚类电解液在高容量正极上的扩散缓慢和表面钝化问题，从而提升电池性能的可行性。富含羟基的乙二醇分子在调节Mg²⁺的溶剂化结构中发挥关键作用，同时与DME分子和TFSI⁻阴离子形成氢键网络，显著提升了镁离子的扩散并抑制了VO₂正极的潜在钝化。因此，在共溶剂体系中，VO₂正极表现出258 mAh g⁻¹的高比容量，并在2000次循环中表现出优异的稳定性。此外，在Mg//VO₂全电池中，经过50次循环后容量仍超过160 mAh g⁻¹，进一步验证了共溶剂策略的实用性。该研究为多价态电池中低成本有机电解质的发展提供了新的思路。

F. Chen, Q. Meng, H. Wang, J. Yu, R. Li, Y. Yi, Y. Hua, H. Lin, P. Jiang, K.C. Chan, Z.-L. Xu, Glycol-glyme co-solvent electrolytes enable high-capacity and ultrastable VO₂ cathodes in magnesium ion batteries, Nano Energy, (2025) 111191.

徐正龙，香港理工大学工业与系统学工程系助理教授（博士生导师）、智慧能源研究院、超精密加工国家重点实验室核心成员、深空探测研究中心管委会成员。徐教授及其团队主要从事新能源转化及存储材料的机理及器件研究，在Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Energy Environmental Science、Angew Chemie、Progress in Material Science等国际顶级期刊发表论文70余篇。徐博士目前担任J. Energy Chemistry, Battery Energy, Materials Futures, 和Microstructures等能源材料领域期刊（青年）编委成员。