【研究背景】
与锂离子电池相比，可充电镁电池具有更高的体积能量密度和更好的安全性，有巨大的潜力成为下一代储能技术。基于Mg(TFSI)2的镁电解液因电化学窗口宽、制备工艺简单和无腐蚀性等特点被视为镁电解液的“圣杯”之一。然而，这种传统电解液展现出极高的镁沉积/溶解过电势、糟糕的库仑效率和长循环焦虑。电解液中痕量水对镁负极或者镁沉积产物的钝化是造成电化学性能差的重要原因，所以阐明充放电过程中存在的失效机制是可充镁电池亟待解决的问题。
【工作介绍】
近日，青岛科技大学材料学院张忠华副教授、李桂村教授和中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员等人提出了一种基于水分子竞争配位镁离子溶剂化结构的镁金属负极-电解液界面失效机制，建立了传统镁电解液中沉积产物的模型。并基于该失效机制提出了相应的改性策略，实现了镁沉积/溶解过程中超低的过电势和优异的可逆性。该科研成果以“The origin of anode–electrolyte interfacial passivation in rechargeable Mg-metal batteries”为题发表在国际顶级期刊Energy & Environmental Science（影响因子39.714）上。该工作青岛科技大学为第一单位，材料学院硕士研究生张金磊和博士研究生刘景为共同第一作者。
【文献简介】
基于Mg(TFSI)2的镁电解液中痕量水分子的存在会导致镁的沉积/溶解过电位高、效率低等问题，而且水分子参与镁-电解液界面反应的微观机理不明确限制了上述问题的解决。本工作从水分子、电解液溶剂分子和阴离子与镁离子的相互作用角度出发解析了水分子竞争配位的镁离子络合结构模型，探究了水分子的引入对镁离子络合结构稳定性的影响；通过冷冻透射电子显微镜和理论计算来研究电沉积产物的物化信息与形成过程，揭示了含水量-镁离子络合结构-沉积产物之间的内在联系，阐明了电解液中水分子对金属镁负极界面钝化的微观机理。在此基础上，设计并引入功能添加剂取代水分子配体来调控电解液中水的活性及镁负极界面膜的组成和结构，改善镁的沉积/溶解可逆性。相关研究结论对于揭示镁离子络合结构和金属镁负极的失效机制具有重要科学意义，对于未来高性能新型镁电解液设计及实际应用也具有显著的实际意义。
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://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/EE/D2EE03270H
