AEM综述：可充电镁离子电池合金负极材料

兔兔

2020-05-01

由于镁在地壳中的广泛可用性和可及性，可充电镁离子电池作为锂离子电池（MIBs）的替代金属离子电池系统之一而引起人们的关注。由于镁金属负极与传统电解质溶液的不兼容性，用可在传统电解质溶液中可逆工作的替代负极来替代Mg金属，可能为精心设计高电压、高容量可充电的Mg电池系统提供一条有前途的途径。有鉴于此，以色列巴依兰大学Doron Aurbach与山东大学张忠华综述了近年来基于IIIA族、IVA族、VA族元素的合金负极的研究进展。

本文要点：

1）研究人员系统地总结和讨论了理论评价、可达容量、合成策略、电池试验配置、电化学性能和潜在的反应机理。在大量的实验和计算工作的基础上，MIBs合金阳极已经取得了初步的进展。纳米结构的Bi基负极（Bi纳米管、Bi纳米晶体、Mg₃Bi₂纳米簇）表现出出色的结构稳定性，有效的Mg²⁺离子传输性能和可逆性。同时，各种先进的策略，如使用金属间系统(如Sn-Sb合金)，纳米结构的Sn负极，双相Bi-Sn合金的设计或合成共晶合金也显示出良好的性能。

2）镁合金负极与传统电解质溶液的相容性已经得到了成功的证实，并构建了有前途的MIBs原型，为开发新型可充电Mg电池提供了实际的机会。在发展实验策略的同时，对负极材料进行了DFT计算，其中包括平均电压、体积能量密度、吸附能、缺陷形成能、能垒和扩散系数的估计，用于定量评价各种镁合金负极的潜在性能。通过理论模拟，阐明了Bi、Sn、Ge、Si和P负极的Mg存储行为，从而对这些基体材料中Mg²⁺在电池运行过程中的插入过程和扩散途径有了基本的了解。

3）研究人员认为未来的另一个途径是扩展候选元素的范围。开发成本效益合理、资源丰富的高比容量合金负极(如Al、P、Si)将更具吸引力。一些理论研究表明，Ge、Si负极材料的非晶化有利于Mg原子的插入，在某些情况下，它可以使可逆的合金反应发生。最后，鉴于其在地壳中的丰富含量以及作为活性金属的独特性能，研究人员认为Mg是先进电池负极中最有趣的元素，基于以下(丰富的)元素的可充电电池：Mg、Sn、Si、P、V、Mn，在大型储能和转换设备中极具吸引力。

Jiazheng Niu, et al. Alloy Anode Materials for Rechargeable Mg Ion Batteries. Adv. Energy Mater. 2020, 2000697.

DOI: 10.1002/aenm.202000697.

https://doi.org/10.1002/aenm.202000697