【研究背景】

为了实现全球碳中和目标，全球能源系统正在迅速向可再生能源过渡，这需要电化学储能技术的突破。先进的电池系统必须克服传统锂离子电池面临的双重挑战：有限的锂储量和热失控事故引起的持续安全问题。可充电镁电池是极具前途的候选储能体系之一。可充电镁电池具有高理论比容量（体积比容量为3833 mAh cm-3）、相对较低的氧化还原电位（-2.37 V）、丰富的储量（在地壳中占2.60 wt%）、低成本，不易生长树枝状枝晶，高安全性等优势。

然而，可充电镁电池的发展面临关键的瓶颈，包括由于MgO/Mg(OH)2层形成而导致的阳极快速钝化、导致可逆性差的不均匀镁沉积以及与常规溶剂的寄生界面反应。这些挑战源于 Mg2+和溶剂分子之间强烈的库仑相互作用，这阻碍了脱溶剂动力学和离子传输。引入金属氯化物可以显着降低Mg2+的脱溶剂能，实现可逆的镁沉积剥离。然而，氯化物的添加会对铝和不锈钢制成的集电器和电池外壳产生腐蚀。因此，镁离子电池的进一步应用所面临的主要挑战是开发具有适当的电化学窗口、与镁负极兼容、安全性高的无氯镁电解液。

图1 镁电解液从含氯电解质到无氯电解质的演变

【文章简介】

近日，东北大学罗绍华教授课题组对可充电镁电池的镁电解液的发展现状进行了概述，批判性地分析了Mg-Cl配位化学，讨论了无氯电解液的前沿进展，同时倡导开发新型的无氯电解液。本文以“Evolution of coordinated chemical innovations: A road to chlorine-free magnesium electrolyte system”为题发表在国际知名期刊Energy Storage Materials上。东北大学材料科学与工程学院博士研究生孙琪为第一作者，罗绍华教授为通讯作者。

【论文导读】

为了克服镁电池的现有限制，人们将大量工作集中在设计与二价镁离子电化学兼容的电解液配方上。现阶段对镁电池电解液的研究取得了一定程度的进展，但还需要进一步完善。镁盐浓度、溶剂类型以及二者的配比会影响镁电解液性能。因此，应调整这些因素以开发合适的兼容电解液体系。例如，通过添加金属氯化物降低Mg2+离子的界面脱溶剂能垒。这些进展突出了氯离子在调节非水电解液的溶剂化结构和界面化学中的关键作用，这被认为是影响镁电池电化学性能的核心问题。但镁电池的商业化始终受困于电解液高离子电导率、宽电化学窗口、无腐蚀性难以兼得的核心矛盾上，聚焦氯离子的双刃剑效应。

近年来，无氯镁电解质在离子电导率、沉积效率和化学稳定性方面取得了重大突破，成为研究的热点。无氯镁电解质的核心优势体现在三个方面：（1）配位化学工程可以精确调控Mg2+溶剂化结构，减少脱溶剂能垒；（2）氟化/全氟化设计同步提高抗氧化性能和界面相容性；（3）非氯化物阴离子系统消除了与腐蚀相关的副反应。

硼基电解液是一种较早开发的无氯镁电解液，它通过硼中心化合物的强路易斯酸性来提高电解液的氧化稳定性。

图2 硼基无氯电解液研究进展

常规镁盐电解液体系：Mg(TFSI)2、Mg(OTf)2等常规盐与醚+胺或其他溶剂的共溶剂体系实现非腐蚀性无氯电解液突破，增强镁沉积/剥离动力学。

图3 常规镁盐无氯电解液研究进展

图4 含氯和无氯电解液的比较分析

本文系统综述了镁电池电解液的发展，追溯了其从传统的含氯体系到无氯电解液的演变，并强调了氯离子配位结构对电解质电化学性能的决定性影响。为了实现高性能镁电池，未来的研究应集中在以下几个方面：

（1）为了克服传统单/双盐系统的性能限制，未来的研究应集中在开发新型镁盐或具有多组分协同效应的高熵电解液上。

（2）开发新型固态镁离子电解质，使镁电池在-40°C至60°C的极端环境中稳定运行。

（3）镁电池中溶剂化结构的瞬态演变和界面反应的动力学迫切需要原位表征技术的突破。

（4）通过构建原位表征数据库并结合机器学习算法来执行机器学习辅助数据集成，以解决多维数据中的隐含相关性。

（5）人工智能与多尺度模拟的结合将加速下一代电解质的开发。

图5 评估镁电解质的指标和未来前景

【文章链接】

Evolution of coordinated chemical innovations: A road to chlorine-free magnesium electrolyte system

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104351

【结论】

可充电镁电池因其高理论比能量、低成本、环境友好等优势而显示出极大的发展前景。然而，可充电镁电池的发展受到镁负极与常见的镁盐和传统有机电解液溶剂不相容的限制。鉴于电解液在可充电镁电池中显著的优势和广泛的应用前景，本综述以可充电镁电池电解液当前面临的挑战为出发点，批判性地分析了Mg-Cl配位化学，重点总结了无氯电解液的前沿进展和应用优势。

基于对这些优势的认识，本文进一步深入综合地探讨了目前无氯镁电解液所面临的瓶颈，并提出了未来可充电镁电池无氯新型镁电解液的重点发展方向，以实现高性能的镁电池。希望本文能够为可充电镁电池无氯新型镁电解液领域的研究提供全面的参考，同时推动高性能镁电池的进一步发展。