傳統能源的間歇性問題加劇了研發穩定儲能設施的重大需求。可充電鎂電池憑借其高的能量密度、豐富的資源儲備、低廉的成本以及出色的安全性，已成為清潔能源領域競相研發的新熱點，并展現出巨大的商業化應用潛力。然而，鎂電池的發展仍面臨諸多關鍵技術難題。其中，電極材料中鎂離子的緩慢擴散、晶格膨脹引發的嚴重應力、以及鎂電極表面枝晶的形成與腐蝕等問題尤為突出，嚴重制約了鎂電池的性能提升與廣泛應用。

物理學院先進材料與能源器件團隊陳松博士、張文明教授等人立足國家重大戰略需求，針對以上問題，開展了多個基于電極材料微納結構設計的相關工作，系統地進行了儲鎂材料的改性研究，探究了其儲鎂機理，實現了儲鎂能力的顯著提升。這些研究成果不僅解決了鎂電池發展過程中的一系列關鍵科學問題，還具有重要的學術價值和應用意義，推動著鎂電池技術的不斷創新與突破，具體包括：

首先，他們通過陰離子調諧策略制備了具有二維片狀結構的Cu_1.8S_1-xSe_x正極材料，提高了鎂存儲容量和循環穩定性。同步輻射分析證明了硒的加入改變了銅化學狀態；理論分析表明，陰離子取代使Cu_1.8S_1-xSe_x電極具有良好的電荷轉移動力學和低離子擴散勢壘，這些研究結果揭示了鎂的主要儲存機制和結構演化過程(Nano Letters2024, 24, 10458)。

其次，他們提出了雙離子共嵌入策略，以加速離子在Cu₃VS₄中的遷移，實現更高的比容量、倍率性能和超穩定的循環能力。分析表明，雙離子共嵌入可以加快電荷轉移，降低Mg²⁺的擴散勢壘，優化反應動力學。有限元模擬從力學角度驗證了雙離子共嵌有助于減輕殼層中鎂化/鋰化引起的應力，并保持結構完整性(AdvancedFunctional Materials2024, 2411881)。為了進一步改善鎂/鋰雜化電池的儲能行為，他們利用生長在碳布上的(Co,Cu)Se₂/CoSe_x異質結構作為正極，APC-LiCl作為雙鹽電解質，實現了高的可逆容量和循環穩定性。分析發現，異質界面的構建刺激了內建電場和高密度電子流的形成，從而加速了電荷轉移和離子擴散過程，異質結構有效地緩解了鎂化/鋰化引起的應力，提高了材料的結構完整性(Nano Letters2024,24, 15050)。

此外，對鎂負極的衰退機制也進行了系統的總結和闡述，討論了建立穩定負極和負極/電解液界面的幾種主要策略，簡要闡述了該領域未來研究的機遇和挑戰(MaterialToday2024, 72, 282)。

Nano Letters (IF=9.6) , Advanced Functional Materials (IF=18.5), Materials Today (IF=21.1)均為中科院一區、物理學科高水平期刊，以上工作得到了國家自然科學基金、河北省自然科學基金、河北省燕趙黃金臺聚才計劃骨干人才項目、河北大學高層次人才引進基金等項目資助和物理學院公共測試平臺的大力支持。

文章鏈接

[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.

（物理科學與技術學院，科學與技術創新研究院供稿）