广东工业大学，Journal of Power Sources：构建Mg-1.0In二元合金：提升镁空气电池阳极性能的途径

通讯作者：王乃光(副教授、博士生导师)

第一作者：王湾(硕士研究生)

单位：广东工业大学

镁阳极是镁-空气电池的核心组成部分，但在提高活性的同时减轻自腐蚀的问题长期困扰着一次镁电池的发展。本研究开发添加1.0 wt%铟的Mg-1.0In二元合金作为阳极材料，有效解决了这一问题。该合金在铸态下展现出适宜的溶质原子偏聚程度和枝晶界厚度，有利于开路电位下保护性表面膜的形成，从而降低放电前的腐蚀速率(0.2 mm y⁻¹)。在镁-空气电池放电过程中，这种独特的微观结构促使金属铟及其氢氧化物在镁阳极表面再沉积，显著加快氧化产物的剥落并有效抑制析氢副反应。结果表明，采用Mg-1.0In阳极的镁-空气电池，在10 mA cm⁻²电流密度下拥有1587 mA h g⁻¹的放电容量，平均电压达到1.46 V，放电析氢速率仅1.30 ml cm⁻² h⁻¹，综合性能超越大多数文献报道的镁阳极材料以及不同铟含量的对照组试样。此研究表明，利用简单、廉价的铸态低合金化镁阳极，而非复杂的高含量合金设计(包括热处理和塑性变形)，可以有效提升镁-空气电池的放电性能。

近日，来自广东工业大学的王乃光在国际知名期刊Journal of Power Sources上发表题为“Constructing dilute Mg-1.0In binary alloy: A pathway to enhanced anode performance in Mg-air battery”的文章。该文章构建铸态Mg-1.0In二元合金作为镁-空气电池的阳极材料，巧妙地解决了减轻自腐蚀和促进活化之间的矛盾，从而有助于延长镁-空气电池的储存时间并提高其放电性能。此外，从铟偏析和枝晶形貌的角度揭示了放电前后的腐蚀电化学机制。

相关文献表明，大多数镁阳极在开路电位下耐蚀性不佳，限制其长期存储能力。铸态Mg-1.0二元合金表现出适宜的溶质原子偏聚程度和枝晶界厚度。铸态Mg-1.0In二元合金展现适中的溶质原子偏聚度和枝晶界厚度。这些独特结构特性促成开路电位下一层致密稳定表面薄膜的形成，有效保护阳极材料，减少自腐蚀。该合金腐蚀速率仅为0.20 mm y⁻¹，远低于多数镁合金。因此，Mg-1.0In合金支持电池在放电前长时间存储。

在镁-空气电池放电过程中，氧化产物（如氢氧化镁）在阳极表面累积，减少电极活性反应面积，导致电池电压随时间逐渐下降。同时，镁阳极常伴随严重析氢副反应。Mg-1.0In二元合金凭借其适宜的铟偏聚和枝晶界厚度，促进铟的溶解与再沉积，有效阻止氧化产物在阳极表面堆积，保持电极较大活性放电区域，提供较高放电电压。此外，铟的加入降低镁合金的析氢交换电流密度，抑制放电时的析氢副反应，提升阳极利用率。