近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所李馳麟研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入間溴氟苯(BrFB)電解液添加劑，建立了“晶面取向調(diào)控-界面工程-溶劑化結(jié)構(gòu)優(yōu)化”的多級(jí)協(xié)同機(jī)制。在鎂沉積行為調(diào)控方面，BrFB憑借其溴/氟官能團(tuán)對(duì)Mg(002)晶面的特異性吸附，有效阻斷了鎂原子的水平堆疊生長(zhǎng)，誘導(dǎo)形成了垂直取向的(110)晶面主導(dǎo)的均勻沉積，實(shí)現(xiàn)了超高面容量下的致密陣列結(jié)構(gòu)鎂負(fù)極。在界面化學(xué)層面，BrFB在電化學(xué)循環(huán)中原位分解形成Br/F雜化SEI，其中MgBr2組分構(gòu)建低遷移能壘(0.27 eV)的離子傳輸通道，而MgF2納米域提供電子絕緣屏障和機(jī)械支撐，協(xié)同抑制負(fù)極枝晶生長(zhǎng)與界面副反應(yīng)。在溶劑化結(jié)構(gòu)調(diào)控中，BrFB與二乙二醇二甲醚(G2)溶劑通過(guò)C-F/C-Br…H-C偶極相互作用重構(gòu)外層溶劑鞘，顯著削弱Mg2+-溶劑配位強(qiáng)度，降低脫溶劑化活化能。該協(xié)同機(jī)制使鎂對(duì)稱電池在30 mAh cm-2超高面容量下穩(wěn)定循環(huán)280小時(shí)(鎂利用率89%)及-20℃低溫下穩(wěn)定運(yùn)行600 小時(shí)；過(guò)電位顯著降至190 mV，并可實(shí)現(xiàn)7000小時(shí)的超長(zhǎng)穩(wěn)定循環(huán)，突破了已報(bào)道添加劑策略的壽命極限。匹配CuS正極的全電池在300 mA g-1下保持了155 mAh g-1可逆容量，證實(shí)了該策略對(duì)高能量密度鎂電池實(shí)用化的推進(jìn)價(jià)值。相關(guān)成果發(fā)表于Energy Environ. Sci. 18, 7254-7266, 2025。
 

　　團(tuán)隊(duì)也設(shè)計(jì)了基于強(qiáng)路易斯酸堿相互作用促進(jìn)金屬氟化物解離并構(gòu)建親鎂界面層的負(fù)極改性策略，實(shí)現(xiàn)了無(wú)氯鎂電池的穩(wěn)定運(yùn)行。在含有路易斯堿性位點(diǎn)的三氟甲烷磺酸鎂添加劑促進(jìn)Sb-F鍵解離后，在Mg電極表面制備了親鎂的Sb骨架。而置換產(chǎn)物MgF2具有不同尋常的單斜結(jié)構(gòu)，可以提高界面內(nèi)的電子絕緣和Mg2+傳輸，保證Mg2+的快速擴(kuò)散，抑制電解質(zhì)的鈍化。同時(shí)，界面副產(chǎn)物氟氧化銻的存在能夠降低鎂離子去溶劑化的能壘，并且在快速鎂沉積和剝離過(guò)程中氟氧化銻的持續(xù)還原可彌補(bǔ)失效的親鎂Sb位點(diǎn)，提高鎂電池的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。在這種人工SEI保護(hù)下，對(duì)稱電池在常規(guī)Mg(TFSI)2/DME電解質(zhì)中，在1 mA cm-2的高電流密度和5 mAh cm-2中的高面容量下可實(shí)現(xiàn)>2000小時(shí)的鎂沉積/剝離循環(huán)。相關(guān)成果發(fā)表于Adv. Energy Mater. 14, 2401507, 2024。
 

　　該團(tuán)隊(duì)也聯(lián)合上海大學(xué)高彥峰教授提出采用聚(3，4-二氫-2H-吡喃)(polyDHP)對(duì)鎂金屬負(fù)極進(jìn)行改性來(lái)調(diào)控界面溶劑化結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速的Mg2+傳導(dǎo)。PolyDHP固有的空間位阻以及其與Mg2+的靜電相互作用能夠降低第一溶劑化鞘層中的溶劑分子，增加陰離子和polyDHP的含量，從而降低Mg2+的去溶劑化能壘。并且，在鎂負(fù)極表面低聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變作用下，界面相在-20 ℃下具有更規(guī)整的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出更加連續(xù)的離子傳輸通道，從而首次實(shí)現(xiàn)了鎂金屬電池的低溫可逆循環(huán)。室溫時(shí)，在5 mA cm-2和10 mAh cm-2條件下，鎂對(duì)稱電池能夠循環(huán)5000 小時(shí)；-20 ℃時(shí)，在3 mA cm-2和3 mAh cm-2條件下，鎂對(duì)稱電池能夠循環(huán)1300 小時(shí)，采用CuS正極的全電池能夠穩(wěn)定循環(huán)200圈。這項(xiàng)工作為鎂金屬電池在極端環(huán)境下應(yīng)用提供了新的解決方案。相關(guān)成果發(fā)表于ACS Nano 19, 16877-16889, 2025。
 

　　上述工作第一作者分別是上海硅酸鹽所博士生李古月和碩士生王騰飛，通訊作者是上海硅酸鹽所陳克藝副研究員、上海大學(xué)高彥峰教授和李馳麟研究員，相關(guān)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和上海市科委等項(xiàng)目的資助和支持。
 

圖1 對(duì)稱和半對(duì)稱電池的電化學(xué)性能
 

圖2 MBG電解質(zhì)中的鎂沉積行為
 

圖3溶劑化結(jié)構(gòu)的表征和理論計(jì)算
 

圖4 CuS||Mg全電池的電化學(xué)性能
 

圖5構(gòu)建持續(xù)釋放親鎂位點(diǎn)的富氟界面層實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定無(wú)氯鎂金屬電池
 

圖6吡喃基聚合物調(diào)控界面溶劑化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)具有高面容量和低溫耐受性的鎂金屬電池