传统能源的间歇性问题加剧了研发稳定储能设施的重大需求。可充电镁电池凭借其高的能量密度、丰富的资源储备、低廉的成本以及出色的安全性，已成为清洁能源领域竞相研发的新热点，并展现出巨大的商业化应用潜力。然而，镁电池的发展仍面临诸多关键技术难题。其中，电极材料中镁离子的缓慢扩散、晶格膨胀引发的严重应力、以及镁电极表面枝晶的形成与腐蚀等问题尤为突出，严重制约了镁电池的性能提升与广泛应用。
物理学院先进材料与能源器件团队陈松博士、张文明教授等人立足国家重大战略需求，针对以上问题，开展了多个基于电极材料微纳结构设计的相关工作，系统地进行了储镁材料的改性研究，探究了其储镁机理，实现了储镁能力的显著提升。这些研究成果不仅解决了镁电池发展过程中的一系列关键科学问题，还具有重要的学术价值和应用意义，推动着镁电池技术的不断创新与突破，具体包括：
首先，他们通过阴离子调谐策略制备了具有二维片状结构的Cu1.8S1-xSex正极材料，提高了镁存储容量和循环稳定性。同步辐射分析证明了硒的加入改变了铜化学状态；理论分析表明，阴离子取代使Cu1.8S1-xSex电极具有良好的电荷转移动力学和低离子扩散势垒，这些研究结果揭示了镁的主要储存机制和结构演化过程(Nano Letters2024, 24, 10458)。
其次，他们提出了双离子共嵌入策略，以加速离子在Cu3VS4中的迁移，实现更高的比容量、倍率性能和超稳定的循环能力。分析表明，双离子共嵌入可以加快电荷转移，降低Mg2+的扩散势垒，优化反应动力学。有限元模拟从力学角度验证了双离子共嵌有助于减轻壳层中镁化/锂化引起的应力，并保持结构完整性(AdvancedFunctional Materials2024, 2411881)。为了进一步改善镁/锂杂化电池的储能行为，他们利用生长在碳布上的(Co,Cu)Se2/CoSex异质结构作为正极，APC-LiCl作为双盐电解质，实现了高的可逆容量和循环稳定性。分析发现，异质界面的构建刺激了内建电场和高密度电子流的形成，从而加速了电荷转移和离子扩散过程，异质结构有效地缓解了镁化/锂化引起的应力，提高了材料的结构完整性(Nano Letters2024,24, 15050)。
此外，对镁负极的衰退机制也进行了系统的总结和阐述，讨论了建立稳定负极和负极/电解液界面的几种主要策略，简要阐述了该领域未来研究的机遇和挑战(MaterialToday2024, 72, 282)。
Nano Letters (IF=9.6) , Advanced Functional Materials (IF=18.5), Materials Today (IF=21.1)均为中科院一区、物理学科高水平期刊，以上工作得到了国家自然科学基金、河北省自然科学基金、河北省燕赵黄金台聚才计划骨干人才项目、河北大学高层次人才引进基金等项目资助和物理学院公共测试平台的大力支持。
文章链接
[1]https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.12.002.
[2]https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01651.
[3]https://doi.org/10.1002/adfm.202411881.
[4]https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04123.
（物理科学与技术学院，科学与技术创新研究院供稿）
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