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北京科技大学
导读
近日，北京科技大学的范丽珍教授等人就可充电镁离子电池中的挑战在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Challenges and Recent Progress on Key Materials for Rechargeable Magnesium Batteries”的综述。文章第一作者是Fanfan Liu。
范丽珍教授进一步指出近年来研究者们针对高性能储镁正极材料的设计、高度可逆的电化学镁沉积/剥离电解质的开发以及电解质-负极界面改性等方面投入了大量研究，许多技术壁垒也不断被突破。目前可充电镁电池的研究还处于初级阶段，尽管高水平研究论文给可充镁电池领域的研究带来了新的活力和吸引力，但真正探索出它的实际应用道路依然坎坷。这也就需要不断探索和发掘新理论、新材料、新策略和新电池体系，使可充电镁电池的研究在不久的将来取得重大突破。
背景简介
1. 为什么要研究镁离子电池
1、镁的理论容量高达3833mAh-cm-3（锂的理论容量为2046mAh-cm-3），还原电位低（-2.37 vs SHE）。
2、地壳中镁含量丰富，其值（2.9%）约为Li（0.002%）的104倍，直接降低了RMBs的生产成本。更重要的是，与锂负极相比，镁负极在循环过程中不产生枝晶，使其更安全，并在许多电解质中实现了可逆沉积。基于这些原因，RMBs有望成为大规模储能系统的潜在候选材料。
2. 镁离子电池机理和问题
20世纪90年代，最早报道的RMBs是由Mg//0.25 mol L-1 Mg（B（Bu2RPh2））2tf-DMF//Co3O4组成的之后，有关RMBs的研究也在逐年增加。然而，在含有普通盐（MgTFSI、MgClO4）的非质子溶剂中，镁负极表面钝化膜的存在阻碍了Mg2+离子的可逆沉积，导致镁负极库仑效率低。由于Mg2+的大极化度和强溶剂化性，嵌入无机基质中的双电子转移过程困难，而且现有的LIBs正极材料不能很好地应用于RMBs。因此，探索和获得与电极材料相匹配的电解质和电极材料是实现高性能、实用化RMBs的关键。
核心内容
本文以RMBs电极材料的容量与电压的关系为参考，对RMBs关键材料的研究现状进行综述。根据储能机理的不同，将正极材料分为插层型正极和转换型正极两大类，详细阐述了镁负极材料的改性及界面问题；并系统分析和总结了RMBs电解液的潜在发展前景。在这里，作者没有详细描述每一种材料，而是强调每一类材料中最具代表性。本文的主要目的是为今后的工作提供更多有价值的参考，以激励人们为今后的工作做出更大的努力，促进高容量、长寿命RMBs的发展。
第一作者解读：
二价可充电镁电池原理上可以提供比单价离子电池更高的能量密度。然而，由于带两个正电荷的Mg2+的半径小，极性大，溶剂化作用强，使其在正极材料中的嵌入/脱出动力学行为较为缓慢，导致可用于镁离子存储的正极材料很少。另外，由于金属镁极易与电解质中的物质发生反应从而生成钝化膜，且该钝化膜是镁离子的不良导体，因此寻找具有良好可逆沉积镁的能力、宽的电化学窗口、且能够与正负极材料兼容的电解液体系也非常重要。
该工作重点在于全面总结了可充电镁电池关键材料的发展近况，具体如下：
1）将目前受关注度最高的可充镁电池正极材料按照储镁机理进行分类。针对插层型正极材料，深入讨论了其插层/脱嵌过程中发生的结构变化；同时，详细概述了转化型正极材料的反应机理。比较两种不同类型的正极材料之间的储镁差异。
2）针对负极材料，总结归纳了可充电镁电池负极材料的种类，并对镁负极改性方法进行阐述。
3）深入总结了可充电镁电池电解质的发展，对比了不同种类的液体电解质在应用时所表现出的优缺点，同时对固态电解质进一步的发展做了展望。
图1. 电极理论容量、还原电位及丰度
a) The theoretical capacity of graphite and various metal anodes.
b) Reduction potential of various metal anodes.
c) The elemental abundance in the crust.
可充电镁电池目前已经成为新型储能研究领域崛起的一大新星，发掘多种类的电极材料、优化电解质体系是推进镁离子电池性能的关键。现阶段对镁离子电池关键材料的研究取得了一定程度的进展，但还需要进一步完善。
今后的研究主要集中在以下4个方面：
1) 合理设计正极材料的结构，减小Mg2+在其中的极化作用；
2) 对镁负极进行优化改性，尽可能地减少或消除钝化膜，促进Mg2+的快速传输；
3) 构建能够实现镁的可逆沉积/溶解而不腐蚀集流体的电解质材料，增强电极与电解质间的界面稳定性；
4) 深入探究电极材料的储镁机理、理解及预防失效机制。通过合理的设计材料的结构、优化电极/电解质体系，最终实现高容量、长寿命、高安全可充镁电池的构建，进而推动其在商业化大规模储能领域的广泛应用。
本综述为高能量密度可充电镁电池的发展提供了有价值的指导思想。
文章链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202000787
范丽珍 教授
范丽珍教授，北京科技大学新材料技术研究院先进能源材料研究室首席教授，博士生导师。2004年获得清华大学博士学位，师从南策文院士。2003年8月起先后多次在日本东京索尼公司、日本九州大学、德国马普固态研究所（合作教授Joachim Maier）及美国德州大学奥斯汀分校（合作教授John B Goodenough）做访问研究、博士后研究、洪堡基金研究员和访问学者。入选北京市科技新星（2007）；教育部新世纪优秀人才（2008）；教育部霍英东优秀青年教师（2009）；北京市优秀人才（2010）。
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