一、背景与意义

随着化石燃料的逐渐枯竭及其市场需求的持续增长，研究人员正积极探索绿色能源来源，并致力于开发高效的能源存储系统以储存可再生能源。超级电容器因其卓越的寿命、更高的功率密度、极快的充放电速率和广泛的工作温度范围而备受瞩目。其中，电极材料的选择对于实现高性能超级电容器至关重要。镁基材料因其资源丰富、环境友好、良好的电导性与低毒性等优势，在超级电容器和离子电池等领域应用广泛。然而，镁基材料循环稳定性差、电化学活性低以及结构稳定性问题，限制了其商业化应用。

近期，重庆大学张育新教授与饶劲松研究员等人深入分析了镁基电化学储能材料在超级电容器中的性能提升策略和机制。文章主要工作包括：收集并分析了近十年内发表的七十多篇研究论文，探讨了改善镁基材料电化学性能的各种调控策略。研究还讨论了通过构建纳米结构、合成复合材料、缺陷工程和无粘合剂合成等方法来提高镁基材料电化学性能的可行性。同时，以尖晶石结构的MgX2O4和层状结构的Mg-X-LDHs为例，展示了不同调控策略对电化学性能的影响及其作用机制。最后，文章探讨了镁基电化学储能材料在高性能超级电容器中面临的挑战和未来的发展方向。

二、图文导读

首先，文章探讨了尖晶石结构的MgX2O4（其中X代表Co、Mn、Fe、Al等）材料在超级电容器中的应用及其电化学性能优化策略。尖晶石结构的MgX2O4由于其稳定的结构和成分多样性，展现出巨大的潜力。然而，MgX2O4材料在实际应用中面临诸多挑战，如实际比电容远低于理论值，循环性能和倍率性能较差。为解决这些问题，研究人员采取了多种策略来优化MgX2O4的电化学性能。这些策略包括设计特殊的纳米结构，如一维纳米结构（纳米针、纳米线、纳米纤维等）、二维纳米结构（纳米片、纳米板等）、三维纳米结构（纳米花、纳米球等），这些结构有助于扩大电极材料与电解液的接触面积，提供更多的电活性位点，从而提升能量存储容量和倍率性能；此外，通过与碳材料和过渡金属基材料复合，合成的复合材料因独特的异质界面效应和纳米结构可以有效促进电荷的分离和转移，提高电化学反应的动力学；同时，缺陷工程，如原位构筑空位和离子掺杂，亦可调节材料的电子结构，从而实现性能优化；其他改性方式，如无粘合剂合成、有机聚合物复合等手段也展现出良好的改性效果（相关数据如表1所示）。

表1 通过不同方法调节MgXzO4的电化学性能

随后，文章详细阐述了具有层状结构的镁基层状双金属氢氧化物（Mg-X-LDHs）在超级电容器领域的应用前景及其电化学性质的优化策略。由于其独特的二维离子交换层结构——正电荷的金属氢氧基层与负电荷的间隙阴离子相互堆叠，LDHs备受瞩目。通过调整金属离子种类和比例以及选择不同的间隙阴离子，可以精准调控LDHs的物理和化学性质。文章讨论了多种方法来提升Mg-X-LDHs的电化学性能，包括设计特定的纳米结构、合成复合材料、缺陷工程等。例如，通过一步水热法制备的三元Ni-Mg-Al LDH，通过调整Ni2+/Mg2+的摩尔比和水热反应时间，可以优化产物的结晶度和比表面积，从而提升其电化学性能。此外，文章还探讨了通过缺陷工程来调控Mg-X-LDHs的电化学性能，例如通过引入氧空位来调节电子结构，提高电导率，以及通过镁离子的引入来增强结构稳定性。

最后，文章探讨了氧化镁（MgO）和氢氧化镁（Mg(OH)2）在超级电容器及其他应用中的使用。这两种材料因其高负标准电位、相对丰度和低毒性而在电化学储能领域受到关注。尽管镁离子（Mg2+）不参与电化学反应，但可以通过化学置换反应或电化学置换反应将Mg2+替换为过渡金属氢氧化物中的阳离子，从而提高电极材料的循环稳定性和导电性。此外，MgO和Mg(OH)2也可用作MXene的固态间隔物，以防止其在制备过程中的聚集，并提高层间离子导电性。借助其优异的结构稳定性，使用MgO或Mg(OH)2作为模板来合成模板碳材料，这些材料在能量存储应用中同样显示出了优异的电化学性能。

表2 通过不同方法调节Mg-X LDH的电化学性能

三、结论与展望

本文对镁基材料在超级电容器中的应用进行了系统总结和展望。通过研究镁基材料的电化学性能及相关机制，提出了多种提升其电化学性能的策略，包括设计纳米结构、合成多孔碳材料复合物、合成过渡金属基材料复合物、缺陷工程和合成导电聚合物复合物等。这些策略显著提升了镁基材料的电化学性能。尽管镁基储能材料在超级电容器领域取得了显著进展，但其大规模应用仍面临一些挑战。例如，对于镁基材料的大规模制备方法及反应参数对产物形貌和结构的影响等关键问题，尚未深入研究。此外，关于镁基材料在超级电容器中的电化学反应机制和循环稳定性的研究仍较为有限，需要进一步探索。最后，对电解质、集流体和阳极材料等对电化学反应影响的研究仍显不足，亟需加强。在未来，寻找更简便、经济且可重复的镁基材料制备方法，解析并解决镁基材料在碱性溶液中溶解的问题，进一步探究电解质、集流体和阳极材料对电化学反应的影响，优化这些组件的设计和性能，都有望进一步提升整体超级电容器的性能。

四、文章信息

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第12卷第1期：

[1] Yuntao Xiao, Xinfang Zhang, Can Wang, Jinsong Rao*, Yuxin Zhang*, Recent advances in electrochemical performance of Mg-based electrochemical energy storage materials in supercapacitors: Enhancement and mechanism [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2024, 12(1): 35-58.

五、中文摘要

基于镁基材料的电化学储能材料在高性能超级电容器中的应用，是推动镁资源在储能领域开发和利用的重要一步。然而，镁固有的化学性质导致循环稳定性差和电化学反应性低，这严重限制了其在超级电容器中的应用。因此，在本文综述中，收集并分析了过去十年内发表的70多篇研究论文，选取了一些具有代表性的研究工作，并讨论了各种调控策略对提高镁基材料电化学性能的影响。通过以尖晶石结构的MgX2O4和层状结构的Mg-X-LDHs为例，展示了构建纳米结构、合成复合材料、缺陷工程和无粘结剂合成等策略对电化学性能的影响及其机制。此外，还介绍了氧化镁和氢氧化镁在电极材料中的应用，以及MXene作为固体间隔物和硬模板的作用。最后，讨论了镁基电化学储能材料在高性能超级电容器中的挑战与前景。

六、英文摘要

The application of Mg-based electrochemical energy storage materials in high performance supercapacitors is an essential step to promote the exploitation and utilization of magnesium resources in the field of energy storage. Unfortunately, the inherent chemical properties of magnesium lead to poor cycling stability and electrochemical reactivity, which seriously limit the application of Mg-based materials in supercapacitors. Herein, in this review, more than 70 research papers published in recent 10 years were collected and analyzed. Some representative research works were selected, and the results of various regulative strategies to improve the electrochemical performance of Mg-based materials were discussed. The effects of various regulative strategies (such as constructing nanostructures, synthesizing composites, defect engineering, and binder-free synthesis, etc.) on the electrochemical performance and their mechanism are demonstrated using spinel-structured MgX2O4 and layered structured Mg-X-LDHs as examples. In addition, the application of magnesium oxide and magnesium hydroxide in electrode materials, MXene's solid spacers and hard templates are introduced. Finally, the challenges and outlooks of Mg-based electrochemical energy storage materials in high performance supercapacitors are also discussed.

七、作者简介

第一作者/通讯作者简介：

肖运涛（第一作者），重庆大学2020级材料科学专业，重庆大学优异生。入学以来累计获3次国家奖学金，曾荣获重庆市三好学生等称号。以共同一作/第一作者发表SCI论文2篇。现已推免至中科院物理所(直博)。

张育新（通讯作者），教授、博士生导师，英国皇家化学会会士，山东省蓝色人才（泰山学者），重庆市科技创新领军人才，科睿唯安全球高被引科学家。在Nature Chemistry、ACS Nano、J. Mater. Chem. A等发表SCI论文300余篇，被引15000余次；发明专利13件；主持军委科技委基金重点项目等国家省部级项目7项；获重庆市科技进步一等奖等省部级奖励4项。研究成果先后荣获重庆市自然科学奖一等奖（排名第一）、重庆市科技进步奖一等奖（排名第二）、中国无机非金属矿技术奖一等奖（排名第一）。

饶劲松（通讯作者），重庆大学材料科学与工程学院研究员（博士），重庆大学副校长，国家镁合金材料工程技术研究中心成员。在金属材料表面防护、高性能轻合金及成型技术、轻合金组织表征及变形机制等领域开展研究工作。主研或参研了国防基础科研项目（国家级）、镁合金相关项目；科技部国家基础研究规划项目；国家自然学科基金面上项目，多级变速螺杆泵基础理论与关键技术研究等八项科研项目，参编《机械工程金属材料手册》等书籍。