亥姆霍兹乌尔姆研究所、中科院青岛能源所，AEM综述：镁离子电池正极材料和正极反应过程的机遇与挑战

第一作者：李真酉

通讯作者：李真酉*，Zhirong Zhao-Karger*

单位：亥姆霍兹乌尔姆研究所，中科院青岛能源所

二次镁离子电池作为后锂离子电池体系之一，在可持续性和安全特性方面具有突出优势。随着镁离子电解质的快速发展，探索高比能正极材料成为研究热点。在这篇综述中，我们总结了与镁离子电池正极反应相关的新发现，重点关注提升镁离子固相传导的策略，并阐述了正极-电解液界面的关键作用。我们提出通过建立新型镁基电化学体系有望实现正极反应动力学的提升。此外，还讨论了基于转化反应和配位反应的正极材料体系，这些材料可避免镁离子在晶格中的扩散因而受到关注。最后，介绍了镁基混合电池系统的发展，呼吁对其进行进一步的实用性评估。总而言之，我们从材料和化学的角度去理解镁离子电池正极反应过程，希望对新材料研发和界面化学的优化提供新的认识，以推进高性能镁电池的发展。

近日，来自中科院青岛能源所的李真酉研究员与德国亥姆霍兹乌尔姆研究所的Zhirong Zhao-Karger研究员合作，在国际知名期刊Adv. Energy Mater.上发表题为“Cathode Materials and Chemistries for Magnesium Batteries: Challenges and Opportunities”的综述文章。分析了镁离子固相传导和界面输运的关键科学问题，同时总结和展望了镁离子正极侧的动力学提升策略。

镁离子固相传质缓慢主要源于其离子电荷密度高，因而与正极宿主材料之间具有较强的相互作用。减弱镁离子和正极宿主的相互作用可以从正极材料的结构设计，和电荷载体的优化选择两方面入手。前者主要包含晶体结构的设计、优势迁移路径的选择、晶体工程手段（包括缺陷工程和晶胞尺寸调控等）、以及材料价电子构象的设计等。后者主要通过共嵌入设计新的电化学过程，以实现在热动力学上的突破。

要点二：促进正极-电解液界面的输运过程

镁离子的高电荷密度同时导致其在电解液中溶剂化效应显著。根据DFT计算，镁离子的去溶剂化能是锂离子体系的数倍。因此，正极-电解液界面的输运过程动力学缓慢，甚至可能是整个正极过程的控制步。优化正极界面过程需要从镁离子的溶剂化结构去考虑，其中电解质阴离子和溶剂分子的选择是关键。

规避镁离子在正极材料中的体相迁移是另一种动力学提升策略。相应体系主要包括硫族元素正极体系、有机材料体系和混合离子体系等。其中，前两种材料属于转化型正极材料，原则上反应进程不依赖镁离子在晶格中的扩散。然而，这些材料的导电性普遍较差，往往需要高度分散在导电基质上。此外，其还原产物大多可溶于电解液中，造成活性物质的损失和负极的钝化，因而循环稳定性有待提高。相比之下，镁基混合离子电池正极反应基于单价离子（Li⁺、Na⁺等）的可逆存储，保证了快速的正极反应动力学。通过选择高比能正极材料、提升金属负极利用率和优化电池设计，将有可能发展电芯比能量超过100 Wh/kg的混合例子电池。

锂离子电池技术的广泛应用也促进了其他电池体系的发展。虽然镁离子电池体系在性能上很难与锂离子体系抗衡，但在可持续性、价格和环境友好性方面具有更好的潜力。这些优势在“双碳”的大背景下更值得期待。然而，实现这些潜在的优势还需要更多的努力，如何突破由于镁离子的高电荷密度所造成的热动力学限制将是推动镁离子电池进一步发展的关键因素之一。值得注意的是，镁离子电池正极侧的问题不仅仅是镁离子的固相传导一个问题，需要同时考虑正极界面的输运，甚至是全电池的其他过程的影响。明确这一点不仅有助于正确评估正极材料性能，更有望发展协同策略，推动给镁离子电池技术的进步。

Cathode Materials and Chemistries for Magnesium Batteries: Challenges and Opportunities

李真酉 研究员 简介：2016年于中国科学院大学取得博士学位，先后在德国海德堡大学、卡尔斯鲁厄理工大学、亥姆霍兹储能研究所（乌尔姆）和乌尔姆大学从事博士后研究工作并担任讲师。2023年通过人才引进加入中科院青能所，组建“多价离子电池”研究组。长期从事后锂离子电池体系（Na、Mg、Ca体系等）关键材料的研发，主持德国精英大学集群项目子课题、中国自然科学基金青年项目等，作为技术骨干参研德国和欧盟的重大联合项目多项。在Nat. Commun.,Energy Envrion. Sci., Angew. Chem.等杂志发表论文50余篇，代表性成果曾被Nature等亮点报道。

中科院青岛能源所“多价离子电池”研究组聚焦后锂二次电池体系，致力于其中阳离子载流子的高效可逆存储、固液相传导，以及多相界面处的质荷输运等关键科学问题的研究。主要研究方向包括：（1）多价离子体系（镁、钙离子电池等）电解液和金属负极界面；（2）后锂电池体系（钠、镁、钙离子电池等）高比能正极材料；（3）新型电化学储能体系的构建等。

详见网站：http://www.qibebt.cas.cn/jg/kyxt/xjcnjsyjs/202304/t20230413_6733738.html

课题组目前招聘材料和化学等相关专业背景的博士后和助理研究员等，欢迎联系咨询，详见http://hr.qibebt.ac.cn/info/1043/1866.htm