重庆大学潘复生院士课题组ACS NANO：离子增强植酸层稳定金属镁负极的大尺寸集成

第一作者：文恬恬

通讯作者：谭双双*，黄光胜*，潘复生*

单位：重庆大学、重庆新型储能材料与装备研究院

金属镁负极凭借其丰富的储量（地壳丰度：约为23,300 ppm）、高体积比容量（3833 mAh cm^-3）以及良好的安全性（不易产生枝晶），使得可充镁电池（RMBs）备受瞩目，被视为极具发展潜力的储能体系之一。然而，金属镁负极在实际应用中仍面临着挑战：（1）在传统的简单镁盐电解质中，金属镁负极表面往往倾向于形成离子钝化层，这严重阻碍了Mg²⁺在界面的迁移过程，从而限制了镁负极的电化学性能；（2）在现有的含氯/硼基电解质中，不均匀的Mg沉积/剥离行为仍会导致镁负极点蚀、穿孔等问题，从而引发电池失效甚至短路。这些技术难题限制了金属镁负极的循环寿命，特别是在较高电流密度（≥3 mA cm^-2）条件下。因此，设计并开发出实用、高效的金属镁负极对推动RMBs的应用和发展尤为重要。

近日，重庆大学潘复生院士团队在国际知名期刊ACS NANO上发表题为“Large-Scale Integration of the Ion-Reinforced Phytic Acid Layer Stabilizing Magnesium Metal Anode”的文章。该文章提出一种离子增强植酸层稳定金属镁负极的大尺寸集成策略，实现了较高的电流密度耐受性（9 mA cm⁻²）和较长的循环稳定性（2400 h，3 mA cm⁻²），同时分析了离子增强植酸层的作用机理并验证了大尺寸PA-Al@Mg电极的实际应用潜力，为RMBs高性能镁负极的发展与应用提供了理论指导和技术支持。

基于强配位效应，提出少量金属离子（M=Ca²⁺，Mg²⁺，Al³⁺）增强植酸层的概念并验证了大尺寸（100 cm × 7.5 cm）制备方案的可行性。通过PA分子与金属离子的自组装过程，以金属离子作为“交联剂”促进PA分子坚固而紧密连接，在镁箔表面形成人工SEI膜。通过调整反应溶液的用量，可以简易制备出大尺寸PA-Al@Mg负极，且膜层均匀性良好。该膜层对水、氧具有良好的隔绝性，可以避免金属镁负极在空气中被氧化。

Al3+增强的植酸层（PA-Al）具有较高的机械稳定性、电解液亲和性和离子导电性，从而在9 mA cm^-2的电流密度下实现快速均匀的Mg沉积/剥离过程，并在3 mA cm^-2的电流密度下能够稳定循环超过2400 h。PA-Al层可以有效均化金属镁负极表面的镁离子浓度，并避免金属镁负极在含氯电解液发生局部腐蚀，促进均匀的镁沉积/溶解行为。循环后，PA-Al层依然可以保持良好的结构稳定性和化学稳定性。此外，与Mo6S8正极耦合在5C下能够稳定循环8000圈以上，容量保持率为99.8%，每圈的容量衰减率仅0.000025%。这种简单有效的策略为提高RMBs中镁负极的电化学性能提供了良好的技术支持。

大尺寸PA-Al@Mg负极（5.8 cm × 4.5 cm）组装软包电池能够在0.2 mA cm^-2的电流密度下实现超过100 h的稳定充放电过程。与纯镁循环后的不均匀腐蚀及穿孔现象相比，大尺寸PA-Al@Mg负极没有发生明显的腐蚀和穿孔现象。此外，与Mo6S8正极耦合，在0.1C下运行45圈后仍然有85.2%的容量保持率（此时纯镁的容量保持率仅19.8%）；1C下也能保持750圈的长循环稳定性。这种基于离子增强植酸层稳定镁负极的策略为优化大尺寸镁负极的性能提供了理论参考和技术支持。

Large-Scale Integration of the Ion-Reinforced Phytic Acid Layer Stabilizing Magnesium Metal Anode

谭双双: 重庆大学弘深青年教师，主要从事镁电池关键电极材料及电解液的研究，入选第九届中国科协“青年人才托举工程”。在镁电池领域主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目，作为研究骨干参与国家重点研发计划、国家自然科学基金区域联合项目等项目4项。发表学术论文80余篇，论文总引用4400 余次，h 因子37，其中以第一作者或通讯作者发表论文20余篇，包括Adv Mater、Natl Sci Rev、ACS NANO、Adv Funct Mater等；申请国家发明专利14 件，已授权6 件。

黄光胜: 重庆大学教授/博导，重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心副主任、国家储能技术产教融合创新平台电化学储能中心主任，中国能源学会专家委员会新能源专家组副主任、中国有色金属学会新能源材料发展工作委员会委员、中国材料研究学会镁合金分会理事。主要从事镁合金板材与镁电池负极的研究，二十年来承担了国家项目20 余项，发表学术论文250 余篇，申请国家发明专利69 项（其中授权21 项），获省部级和国际奖8 项。

潘复生: 重庆大学教授/博导，中国工程院院士，重庆市科学技术协会主席、重庆新型储能材料与装备研究院院长、中国工程科技发展重庆研究院院长、《Journal of Magnesium and Alloys》国际期刊主编、国际标准化组织（ISO）镁及镁合金技术委员会主席、国际镁学会主席、中国材料研究学会副理事长等。主要从事轻合金（镁合金、铝合金）材料、金属储能材料、金属生物材料、金属复合材料、工具钢等方面的研究。获得国家技术发明奖和科技进步奖4项，部省级技术发明奖和科技进步奖10余项。发表SCI收录论文700多篇，授权发明专利160多项，制订国家标准和行业标准10余项，开发的16个新型镁合金获批为国家合金牌号，9个合金成为国际标准合金牌号。被评为“全国优秀科技工作者”，何梁何利奖和（美国）杜邦科技创新奖获得者。