张家赫：构建高性能镁空气电池的关键方法：从机理分析到材料设计【AFM，2023】

发布时间：2023-11-20       阅读：6次

层状晶体材料为镁离子电池电极的设计和优化开辟了一条前景广阔的道路。层状晶体材料能有效改善镁离子储存过程中的迁移动力学，从而提供高能量和高功率密度。为了满足未来对高性能镁离子电池的需求，人们在层状晶体材料方面做了大量工作，包括晶体改性、机理研究和微/纳米结构设计。我校材料科学与工程学院“资源综合利用与环境能源新材料”创新团队张以河教授（通讯作者）、王珂讲师（通讯作者）以及博士研究生张家赫（第一作者）全面概述了应用于镁离子电池的层状晶体材料从发展历史到当前应用的情况。重点探讨了层状晶体结构与储能机理之间的关系。同时，总结了层状晶体材料的设计原理及其在电极上应用的最新成果。最后，介绍了层状材料在镁离子电池中应用的未来展望。对开发过程和结构特征的概述有助于全面了解这些材料，而对设计策略和实际应用的讨论则能激发进一步的研究。通过对镁离子电池材料设计方法的对比分析提出一些展望，如下：

1、镁离子电池的挑战主要来自于镁离子迁移动力学的缓慢，迁移速度慢源于镁离子与电极原子之间强烈的静电作用。层状结构材料可以解决这一难题，但也需要对其进行改性。设计先进的层状材料，以改善扩散动力学、扩大电压范围和提高容量，是一项有价值的工作。而通过纳米结构裁剪和结构创新实现层状晶体材料设计的进步，将极大地规避这一问题，并提供高能量密度。

2、优化改性层状电极的新颖有效策略仍有待探索。选择合适的策略需要系统而全面的努力，重点关注镁离子电池的整体特性，而不仅仅是电极性能。考虑电极/电解质界面特性、阳极和阴极之间的动力学适应性、镁离子迁移行为（阳极上的电镀/剥离和阴极中的插入/去插入）等因素可以指导分层材料的构建。合理整合上述两种或三种改性策略可能是一种很有前景的方法，虽然多种方法的组合已在金属氧化物和硫化物中得到应用，但仍值得深入研究并推广到其他层状材料中。

3、探索层状材料的基本储能机制将极大地促进镁离子电池的发展。对储能行为的研究、传输途径的预测以及反应类型（插入式或转化式）的确定将为电极材料的设计和优化提供指导。在这种情况下，有必要结合原位分析技术和模拟技术来研究层状晶体材料。所获得的机理可用于指导层状材料电极的构建和调控，优化微结构电极，构建具有高 Mg2+ 传输速率的新型电极。

4、层状材料通常以纳米结构的形式应用于镁离子电池电极。然而，纳米材料在电池中的作用还存在争议。从有利的一面来看，由于缩短了离子扩散途径和增加了电极/电解质接触面积，纳米结构材料大大有助于改善离子传输动力学和速率性能。另一方面，纳米结构材料通常具有较低的振实密度，从而导致电极的体积能量密度较小。在保持相同能量密度的同时，过多使用纳米材料会增加电池系统的体积，从而影响其大规模应用。不可否认，纳米化设计是优化层状材料的绝佳方法，但纳米化方法并不是放之四海而皆准的策略。有必要根据实际需求设计层状材料的微形，以满足不同场合的储能要求。

图1 镁离子电池的代表性材料

上述研究成果发表于材料领域国际权威期刊《Advanced Functional Materials》上：Zhang, J., Wang, X., Li, H., Zhang, H., Zhang, Y., Wang, K., Layered Materials in the Magnesium Ion Batteries: Development History, Materials Structure, and Energy Storage Mechanism. Advanced Functional Materials. 2023, 33, 2301974. [IF 2023=19.0]

全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202301974