研究亮点

研究背景

镁电池的发展受到界面相容性问题的严重限制，尤其是镁阳极与电解液之间的反应容易形成钝化层，阻碍了镁的可逆沉积/剥离。现有的强螯合结构（如[Mg(DME)3]²⁺）导致脱溶能量障碍高，形成不稳定的固体电解质界面（SEI）和阴极电解质界面（CEI）层，限制了电池的循环寿命和库仑效率。

研究内容

结构与讨论

研究结论

这篇论文提出了一种在Mg[B(HFIP)4]2电解质中设计半螯合溶剂化结构的方法，成功提高了镁阳极和高压阴极之间的界面兼容性。DME-THF（50 vol%）电解质表现出高离子导电性（11.0 mS cm-1）和高氧化电位（> 4 V vs Mg2+/Mg），Mg阳极在该电解质中表现出长期循环稳定性（2000 h）和高平均库仑效率（99.4%）。

图文导读

图1. 镁离子（Mg²⁺）的溶剂化结构及其在a) 强螯合结构和b) 半螯合结构中的脱溶和嵌入过程示意图 。c) 几种链状和环状醚类溶剂的介电常数和供体数 。d) DME、THF、DOL和DOX溶剂的静电势 。

图 2. a) 分子动力学快照和 b) DME（100% 体积比）、DME-THF（50% 体积比）、DME-DOL（50% 体积比）和 DME-DOX（50% 体积比）电解液的径向分布函数。c) 五种电解液体系中半螯合溶剂化结构的比例。d) DME、THF、DME（100% 体积比）、DME-THF（50% 体积比）、DME-DOL（50% 体积比）、DME-DOX（50% 体积比）和 THF（100% 体积比）电解液的 ¹³C 核磁共振（NMR）谱图（溶剂为 CDCl₃）。e) [Mg(DME)₃]²⁺ 和 f) [Mg(DME)₂(THF)₂]²⁺ 阳离子的脱溶能量障碍。

图 3. a) Mg||SS 电池在 25 mV s⁻¹ 下的循环伏安曲线，以及 b) 在 1 mV s⁻¹ 下的线性扫描伏安曲线，电解液分别为 DME（100%）、DME-THF（50%）、DME-DOL（50%）、DME-DOX（50%）和 THF（100%）。c) 基于 Mg[B(HFIP)4]2 的电解液的离子电导率。d) 在 0.5 mA cm⁻² 和 0.25 mAh cm⁻² 条件下的库仑效率。e) 在 0.1 mA cm⁻² 和 0.1 mAh cm⁻² 条件下的循环性能。f) 倍率性能和 g) 在 1 mA cm⁻² 和 1 mAh cm⁻² 条件下，使用 DME-THF（50%）电解液的 Mg||Mg 电池的循环性能。h) 报道的电解液和 DME-THF（50%）电解液的对称 Mg 电池的循环对比。

图 4.a) 在 DME（100%）和 DME-THF（50%）电解液中，沉积在不锈钢（SS）上的镁（Mg）的 X 射线衍射（XRD）图谱。 b) DME 和 THF 在镁（001）和镁（100）晶面上的最佳吸附几何结构。 c) DME 和 THF 在镁（001）和镁（100）晶面上的吸附能。 d) 在 DME（100%）电解液中，沉积在 stainless steel（SS）上的镁（Mg）的扫描电子显微镜（SEM）图像。 e) 在 DME-THF（50%）电解液中，沉积在 SS 上的 Mg 的 SEM 图像。 f) 在 DME（100%）电解液中镁的生长行为示意图。 g) 在 DME-THF（50%）电解液中镁的生长行为示意图。 h) 在 [Mg⁺-(DME)₂B(HFIP)₄]⁻ 中 DME 分子的键解离能（BDEs）。 i) 在 [Mg⁺-(DME)(THF)B(HFIP)₄]⁻ 中 DME 和 THF 分子的 BDEs。 j) 在 [Mg⁺-B(HFIP)₄]⁻ 中 B(HFIP)₄⁻ 的 BDEs，这些是在镁获得一个电子后的状态。

图 5.a, b) 在 DME（100%）和 DME-THF（50%）电解液中循环5次后沉积的Mg的C 1s、F 1s和B 1s XPS深度谱图。c, d) 对应的元素比例。在负模式下，SEI层在e, g) DME（100%）和f, h) DME-THF（50%）电解液中的TOF-SIMS 3D渲染模型和深度剖面。

图 6.a) Mg||Mo6S8全电池第1圈和第10圈的充放电曲线。 b) Mg||Mo6S8全电池在1C（1C=128.8mA g⁻¹）条件下的循环性能。 c) 第200圈的充放电曲线和d) Mg||Fe-PBA全电池在50mA g⁻¹条件下的循环性能。 e, f) Fe-PBA阴极在DME（100%体积比）和DME-THF（50%体积比）电解液中循环形成的CEI层的TOF-SIMS 3D渲染模型。 g) 使用DME-THF（50%体积比）电解液时的CEI深度剖面。 h) 使用DME-THF（50%体积比）电解液循环10圈后Fe-PBA阴极材料的透射电子显微镜（TEM）图像。 i) 该循环Fe-PBA阴极材料的能谱（EDS）元素分布图。

文献信息

题目：
Semi-Chelation Solvation Enables High Interface Compatibilities with both Anode and Cathode in a Bulky Mg[B(HFIP)4]2 Electrolyte

链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202505843

出版期刊：
Advanced Functional Materials

发表日期：06 June 2025

作者团队：

潘复生，重庆大学材料科学与工程学院教授，研究专注于轻合金（镁合金、铝合金）、金属储能材料、金属生物材料等领域。他在这些领域取得了卓越成就，获得了4项国家技术发明奖和科技进步奖，以及10多项部省级奖项。

谭双双，重庆大学材料学院助理研究员，2016年和2021年于武汉理工大学分别获得工学学士和博士学位，现为潘复生院士团队成员。专注于镁电池关键电极材料及电解液的组成结构设计、离子/电子输运调控与多尺度原位表征。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，参与国家重点研发计划、重庆市重点项目等。

李凌杰，重庆大学化学化工学院教授，在材料电化学领域，他专注于可充金属电池电极材料及电解质的研究；在金属腐蚀与表面工程方面，他致力于新型天然植物缓蚀剂和智能防护膜的研究；而在光谱电化学领域，他则深入探索原位电化学椭圆偏振光谱和拉曼光谱技术在界面研究中的应用。

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