新能源汽车的快速发展推动了二次电池技术的不断革新。目前，大多数电动汽车是搭载的仍是锂离子二次电池。锂元素的稀缺和锂离子电池的安全性是当前市场不得不面临的一个问题。作为最具前景的可再生能源存储替代品，镁电池具有元素丰度高，体积容量密度高和易于操作的特点而备受关注，然而实际条件下不均匀的镁沉积镀层大大缩短了镁电池的循环寿命。
近日，青岛科技大学材料科学与工程学院张忠华副教授、李桂村教授和中科院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员等利用基于亲镁界面、晶格匹配和界面静电场约束效应的协同作用下，成功实现了Mg在3D主体材料上的电沉积外延生长。该科研成果以“Epitaxial Electrocrystallization of MagnesiumviaSynergy of Magnesiophilic Interface, Lattice Matching, and Electrostatic Confinement”为题发表在国际著名期刊ACS Nano（影响因子18.027）上。该工作青岛科技大学为第一作者单位，该校材料学院博士研究生刘景和硕士研究生张金磊为共同第一作者。
本文要点：
（1）该工作利用水热法在碳布上生长了垂直排列的氢氧化镍纳米片阵列组成3D主体，通过理论计算确定了氢氧化镍基体具有较强的亲镁性且与Mg之间具有较低的晶格错配率（仅为2.8%）。氢氧化镍由交替和重复排列的电负性差异较大的阳离子和阴离子组成，这在其暴露面上呈现比较强的均匀分布的山丘状静电势场，而作为基体的石墨，在实际条件下由于热波动和掺杂缺陷则呈现不规则的静电势场，同样在Mg电当中运用较多的铜箔则属于典型的TLK模型，表面具有丰富的缺陷和自吸原子，导致其暴露面产生极其不均匀的静电场分布。从理论上讲，氢氧化镍在碳布上的垂直片状阵列排布是Mg沉积的优良载体。
图1 Mg在不同基体上的沉积示意图
（2）实验证明由上述方法制备的镁阳极材料最终实现了在其表面的Mg外延电沉积生长，经过1mAh cm-2的Mg沉积容量后，可以清晰的看到均匀产生的Mg的片层沉积产物，且非常容易脱出，脱Mg后的基体保持了原有的结构。此种镁阳极材料在10 mA cm-2的超高电流密度下可稳定循环600小时以上。
图2 Mg在Ni(OH)2上外延电沉积示意图
本成果获得了国家自然科学基金和山东省自然科学基金等项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c04135
