摘 要

人们对可充电镁电池（RMB）的兴趣日益浓厚，源于对安全、可持续和高能量密度的储能技术的需求。然而，镁金属阳极在电化学和制造过程中的模糊机制严重阻碍了对优异性能的追求。纯镁或镁合金金属阳极中那些经常被忽视的瓶颈应该受到重视并值得更多考虑。在本次回顾中，一个全新的视角正在出现，揭示了克服阻碍人民币发展的长期障碍的机遇。在此，我们全面讨论了近年来缓解镁金属负极与电解液界面不相容性的努力，包括寻求新型电解液、界面改性、机理探索等，并提出了促进人民币发展的非常规研究方向 ，即探索镁金属阳极的电化学和机械性能。最后，提出了解决镁金属阳极的关键因素和棘手问题的建议。

研究背景

电力需求快速增长和经济持续增长推动能源消费加速。为了规避全球能源危机，必须重点开发高效、无污染、可再生的能源存储和转换装置。为了实现最终广泛的应用，迫切需要探索锂离子电池之外的电化学系统，以实现更高的能量密度、安全性和成本效益。 这一重大挑战可以通过纳入地球上丰富的元素（即 Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Zn2+ 和 Al3+）来克服。 在地球上储量丰富的金属电池中，可充电镁电池（RMB）似乎是一种廉价且环保的替代品，具有多种优点，包括出色的理论比容量（3833 mAh cm–3 和 2205 mAh g–1，大约是 Li 的 1.8 和 0.6 倍）、低还原电位（-2.372 V 相对于标准氢电极（SHE））、枝晶生长趋势低等。一般性能如表 S1 所示。镁元素的丰度（地壳中含量第八，海水中含量第三）表明人民币大规模应用的低成本前景。更重要的是，与锂相比，镁由于其优先均匀电沉积和较低的反应活性，大大降低了电池系统的安全风险。因此，高性能人民币的开发引起了人们的极大兴趣。

图1 镁电池概述 

描述了为解决镁金属阳极长期存在的挑战、探索机制和识别经常被忽视的瓶颈而做出的巨大主流努力

图2 (a) TFSI–、Mg+TFSI– 和 Mg2+TFSI– 的键解离能 (BDE)；

(b)配位阴离子/溶剂不稳定性的降解机制；

(c) 计算出单个溶剂分子（红色条）和配位溶剂/Mg2+ 对（绿色条）相对于 Mg(V) 的还原电位；

(d) 电解质中 Mg-ion/Mg2+-阴离子离子对溶剂化络合物的结合能和电荷态；

(e) 镀镁的生长模式：半球形、多孔和树枝状；

(f) 镁沉积物的形态是动力学和扩散控制之间竞争的结果；

(h) 剥离过程中镁金属阳极断裂和形成镁粉的示意图。

图3 镁电池应用形成更好的阳极/电解质界面并克服镁金属阳极中被忽视的瓶颈的关键策略。

与镁金属阳极相关的复杂机制可能与织构强度和分布、晶粒尺寸、孪晶、位错缺陷、ppm级杂质等有关

图4 (a) 不同织构的镁金属阳极示意图；

(b) 考虑到充电/放电过程中使用的容量和镁金属阳极的总体厚度，镁金属阳极的“真实”比容量；

(c) 根据参考数据计算出 Mg0.15MnO2 阴极 (100) 与 Mg 金属阳极（不同厚度）配对的电池系统的能量密度；

(d) 普通轧制和温轧超薄镁箔的光学照片。经参考文献 (99) 许可转载；

(e) 镁金属更薄以用于实用镁电池的原因。

图5 高能量密度和高安全性的镁电池发展的机遇和挑战

由于强静电相互作用，Mg2+ 的二价高电荷密度导致阴极结构中的扩散动力学较差。为了应对这一棘手的障碍，主流研究集中在插入/转换阴极的化学和结构设计上。此外，镁金属阳极的界面钝化倾向主要通过电解质工程、界面工程、替代阳极等来克服。大量的研究将目光投向了两个主要的电池组件问题：阴极和电解质设计。这些重要的基础研究在该领域很普遍，正如大量已发表的人民币评论中所详述的那样。 尽管如此，尽管人民币取得了巨大突破，但仍远未发挥其潜在优点（图 1）。事实上，金属镁是实现人民币优点的最终且必不可少的负极材料。由于金属镁的天然优势，在镁电池系统中直接使用镁金属阳极通常被认为是理所当然的。过去几年，镁金属阳极的相关发现只是“冰山一角”，伴随而来的是许多令人惊讶和重大的现象。