水系可充电镁离子电池（AMIBs）具有高能量密度和安全性，但受限于循环稳定性差和可逆性低等问题，主要原因是自由水分解引发的副反应及钝化层形成。 

 2025年5月12日，重庆大学潘复生院士、吕学伟、宋阳、胡丽文团队在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Solvation Structure Regulation Coupled with Construction of Magnesiumophilic Interface for High-Performance Mg-Ion Batteries”的研究论文，团队成员Li Xinyue为论文第一作者，胡丽文、宋阳、吕学伟、北京科技大学焦树强为论文共同通讯作者。 

 该研究提出了一种由低成本六水合氯化镁（MgCl₂·6H₂O）和强极性非质子溶剂N,N-二甲基甲酰胺（DMF）组成的新型电解质。DMF的电负性羰基氧与Mg²⁺的强相互作用促使镁离子溶剂化结构从原始的[Mg(H₂O)₆]²⁺转变为[Mg(H₂O)₂(DMF)₃Cl]⁺，使Mg²⁺-H₂O配位数从5.7降至1.571，并引入Cl⁻以抑制氢析出反应（HER）/腐蚀并调控钝化层。另外，通过构建具有高HER过电势的亲镁界面，不仅进一步抑制了活性水的反应性，还实现了镁在锌基底上的稳定欠电位沉积（UPD）。结果表明，采用MgCl₂·6H₂O-DMF电解质的锌对称电池可在0.2 mA·cm⁻²电流密度下以80 mV的低过电位稳定循环超过5200小时，对应的全电池放电电压较传统水系体系高出0.98 V。 

 该研究开发了一种由低成本六水合氯化镁（MgCl₂·6H₂O）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）组成的新型电解质，以实现镁在锌基底上的稳定欠电位沉积（UPD）。该MgCl₂·6H₂O-DMF电解质展现出4.97 mS·cm⁻¹的高离子电导率和5.1 mPa·s的超低粘度。值得注意的是，DMF为一种亲核溶剂，可通过与亲电性Mg²⁺配位调控电解质的溶剂化结构，将Mg²⁺-H₂O的配位数从5.7降至1.571，并引入Cl⁻以显著减少水引发的副反应和钝化现象。另外，由于锌金属的亲镁特性及高HER过电势，Mg原子在锌基底上的强吸附作用不仅进一步抑制了活性水的分解，还提升了镁沉积/剥离的可逆性，稳定了镁的UPD过程（图1b）。实验结果表明，采用MgCl₂·6H₂O-DMF电解质的锌对称电池可在0.2 mA·cm⁻²电流密度下以80 mV的低过电位持续稳定运行超过5200小时，对应的全电池也表现出优异的循环性能。 

  图1. （a）常规水系电解质（AEs）和（b）深共晶电解质（DESs）体系镁沉积过程示意图。 

  图2. DESs的特性与溶剂化结构分析。a) 30℃下不同DESs的离子电导率；b) 不同DESs的离子迁移活化能；c) 30℃下不同DESs的粘度；d) 不同DESs中DMF的v(O═C─N)振动FT-IR拟合谱；e) 不同DESs中游离DMF与配位DMF的百分比；f) 不同DESs的拉曼光谱；g) DMF与H₂O分子的静电势（ESP）分布图；h) H₂O-Mg²⁺和DMF-Mg²⁺结合能的理论计算值；i) AEs的分子动力学MD模拟瞬时构型；j) AEs中Mg²⁺的径向分布函数（RDFs）及平均配位数；k) DESs（D-1:20）的分子动力学MD模拟瞬时构型；l) DESs（D-1:20）中Mg²⁺的RDFs及平均配位数。 

  图3. DMF抑制副反应的机制。a) DESs在O-H伸缩振动区的拉曼光谱拟合；b) 不同DESs中强弱氢键的占比；c) 不同DESs的线性扫描伏安（LSV）曲线；d) H₂O在Zn(002)和Mg(101)晶面的吸附能与解离能；e) DESs与AEs在1.0 mV·s−1扫描速率下的LSV曲线对比；f) DESs与AEs的塔菲尔曲线；g) Zn基底在DESs和AEs中浸泡后的XRD图谱；h) Zn基底在D-1:20和AEs中浸泡5天后的元素分布；i) AEs中Zn基底在0.5 mA·cm−2电流密度下镁沉积的原位光学显微图像；j) DESs中Zn基底在同等条件下镁沉积的原位光学显微图像。 

  图4. 锌基底上镁欠电位沉积（UPD）表征。a) Mg在Mg基底与Zn基底上吸附能的对比；b) 采用DESs的对称电池循环100小时后Zn基底的截面SEM图像；c) 采用AEs循环后Zn基底的截面SEM图像；d) 镁沉积后Zn基底的XRD图谱；e) 不同刻蚀时间下Mg 2p XPS谱的拟合；f) Mg²⁺离子态与Mg⁰金属态的百分比；g) 不同刻蚀时间下Zn 2p XPS谱的拟合；h) 对称电池循环100次后DESs的ICP-OES表征结果。 

  图5. DESs电解质的电化学性能。a) 不同摩尔比DESs的循环性能；b) 0.2 mA·cm−2电流密度下的长循环性能；c) D-1:20电解质与已报道镁基电解质体系的累积容量-过电位对比；d) D-1:20在不同循环圈数下的电化学阻抗谱（Nyquist图）；e) D-1:20对称电池的倍率性能；f) D-1:20与AEs全电池在100 mA·g−1下的恒电流充放电曲线；g) D-1:20与AEs全电池在100 mA·g−1下的循环性能对比。 

 总之，该研究开发并验证了一种由MgCl₂·6H₂O和DMF组成的新型深共晶电解质（DES），旨在解决传统水系电解质（AEs）体系存在的氢析出反应（HER）、腐蚀和钝化等问题。DMF的引入使电解质形成了[Mg(H₂O)₂(DMF)₃Cl]⁺的新型溶剂化结构。在该结构中，DMF和Cl⁻与Mg²⁺配位，有效限制了Mg²⁺与H₂O分子的相互作用，降低了水的活性。更显著的是，利用具有高HER过电势和亲镁位点的锌基底，成功削弱了HER与镁欠电位沉积（UPD）之间的竞争。因此，采用该DES电解质的锌对称电池在0.2 mA·cm⁻²电流密度下表现出80 mV的低过电位和5200小时的超长循环寿命，性能显著优于AEs体系。相应的全电池放电电压也比传统水系体系提高了0.98 V。这些研究发现为拓展电解质化学的研究边界以及构建水系可充电镁电池的亲镁界面提供了新思路。