一、研究背景

随着全球气候变化问题的日益严峻，中国已将碳达峰和碳中和作为国家战略核心目标，引领全球绿色低碳转型趋势。在此背景下，能源存储技术，尤其是锂离子电池（LIBs），因其在实现碳中和中的关键作用而受到前所未有的关注和支持。然而，随着技术进步和应用需求的增长，LIBs的能量密度逐渐接近其理论极限，迫切需要探索和发展更高效、可持续的能源存储系统。镁基电池因其独特的优势而备受关注，有望成为替代传统LIBs的新型能源存储技术。镁基电池原型由Aurbach等人首次提出，过去十年科学界对各种镁基能源存储设备进行了广泛探索。

技术迅速发展，各种创新的镁基电池系统如雨后春笋般涌现，包括镁离子电池（MIBs）、镁空气（Mg-air）电池、镁硫（Mg-S/Se/Te）电池、镁二氧化碳（Mg-CO2）电池等。这些系统各具独特的能源存储潜力和应用前景。尽管取得了显著突破，但其内在机制仍充满争议，纯实验测量未能满足对更深层次理解的需求。因此，我们需要利用计算材料科学的力量来揭示难以通过实验获得的结构特性、动力学行为和复杂的反应机制。通过将理论模拟与实验结果相结合，我们可以更全面、深刻地理解这些电池系统的工作原理，为进一步优化性能提供坚实的理论基础和技术支撑。

二、成果简介

在这项研究中，研究人员深入探讨了镁基电池的微观理论分析对于推动该领域发展的重要性。他们首先概述了在微观尺度上用于镁基电池的计算方法，然后总结了与镁基电池相关的代表性研究，强调了微观理论分析在评估结构稳定性、阐明电子结构、揭示动力学行为以及探索新材料方面的关键作用。研究人员通过理论模拟与实验结果的结合，提供了对这些电池系统工作原理的全面和深刻理解，为进一步优化性能提供了理论基础和技术支撑。

研究人员详细讨论了镁基电池的多个关键方面，包括结构稳定性、电子结构和动力学行为。在结构稳定性方面，他们通过计算材料的内聚能、形成能和吉布斯自由能等参数，对材料的稳定性进行了初步评估。例如，通过第一性原理计算，研究人员评估了2D Be2B单层作为镁存储阳极材料的潜力，发现其内聚能为2.8 eV/原子，与已知材料如SnO2、SiP2和Mn2C相当，显示出良好的结构稳定性。

在电子结构方面，研究人员通过分析电子密度来获取材料的电子结构信息，如分子轨道、能带结构、态密度（DOS）和电子分布。这些信息对于分析电池性能至关重要。例如，通过密度泛函理论（DFT）计算，研究人员分析了Mg3Bi2作为MIBs替代阳极材料的电子结构，发现Mg3Bi2在PBE水平上表现为半金属行为，而在HSE06水平上表现为半导体，带隙为0.36 eV。

在动力学行为方面，研究人员关注了电极过程中的离子/分子扩散、传输、吸附和相变等动力学过程。这些过程对电池性能如循环稳定性、倍率能力和能量密度等有决定性影响。例如，通过第一性原理计算，研究人员研究了VOPO4纳米片中Mg2+/MgCl+的扩散差异，发现Mg2+和MgCl+倾向于沿着能量障碍较低的路径1迁移，而不是路径2。

最后，研究人员提出了未来计算研究在镁基电池领域的挑战和展望，包括阴极材料的优化设计、高可逆性的Mg阳极、电解质改性以及对镁存储机制的深入理解。他们希望这项研究能激发镁电池系统内的开创性研究工作，为下一代能源存储设备的发展做出贡献。

三、图文导读

图1 镁基电池发展历程的时间线。展示了从Mg电池原型到各种镁基电池系统的发展里程碑

图2 不同物理化学尺度下分析电池材料的计算方法的示意图

图3 镁基电池中微观尺度理论分析的主要应用的示意图

图4 展示了不同材料的电子局域函数（ELF）图、电化学自由能变化、反应路径的最适反应途径等

图5 展示了电解质分子的静电势计算、LUMO和HOMO能级、电解质的示意图等

四、小结

本综述强调了理论分析在镁基电池研究中的关键作用，包括MIBs、Mg-S、Mg-air等系统。尽管取得了显著进展，但镁基电池的基础研究仍面临复杂挑战，这些挑战包括阴极材料的优化设计、高可逆性的Mg阳极、电解质改性以及对镁存储机制的深入理解。研究人员期望通过本综述激发镁电池系统内的开创性研究工作，为下一代能源存储设备的发展做出贡献。文献：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103918