环球零碳
碳中和领域的《新青年》
首图来源：BBC
撰文| 小明
编辑 | 小澜
→这是《环球零碳》的2016篇原创
在追求更安全、更持久电池的道路上，科学家们一直在寻找锂离子电池的替代品。
固态镁电池凭借其高体积能量密度、低成本和不易生长枝晶的特性，被视为下一代储能技术的有力候选。
然而，镁电池有一个致命的弱点：镁金属负极与固态电解质之间，总会发生剧烈的化学反应，形成一层厚厚的钝化层。
这层“外壳”像一道难以逾越的壁垒，严重阻碍镁离子的传输，导致电池很快就“心有余而力不足”。
长期以来，这种界面反应被视为必须极力避免的顽疾。研究人员想尽办法，试图用各种涂层或添加剂来抑制它。
但来自日本东北大学和中国四川大学等机构的一项最新研究，却提出了一个颠覆性的思路：与其费尽心思消除界面反应，不如学会如何驾驭它。
这项成果已发表于《ACS Energy Letters》期刊，新型镁锌合金负极不仅创纪录地稳定运行了超过1300小时，峰值剥离电流密度更是达到了纯镁的440倍。
来源：ACS Energy Letters
这项技术的核心，在于研究人员对镁合金负极进行了“第二相（Secondary Phase）工程”改造。
研究人员没有使用纯镁，而是像给金属“调味”一样，向其中加入了少量锡，制备出一种镁-锡合金（Mg-Sn）。
在合金内部，锡与镁会自发形成一种名为锡化镁（Mg₂Sn）的稳定化合物，作为分散在镁基体中的“第二相”。正是这种微观结构，彻底改变了负极的命运。
为了找到最佳配方，研究团队展开了一场高通量筛选。
他们利用理论计算，评估了镁与钙、铝、锡、铋、镧等多种元素形成的合金，并引入了一套全新的“描述符”：包括第二相与电解质之间的界面形成能、第二相与α-镁基体之间的Volta电位差，以及微观结构的连通性。
图说：材料项目数据库中，(a) 纯Mg和(b) Mg合金的电镀/剥离工艺示意图，(c) 高通量筛选Mg二元化合物的工作流程，以及(d)材料项目数据库中与元素X形成的Mg二元化合物数量。
DOI: 10.1021/acsenergylett.6c00909
计算发现，Mg₂Sn表现尤为突出：它与固态电解质的界面形成能很低，意味着能够紧密、稳定地结合；同时，它与周围镁基体之间存在着一个大小适中的正电位差。
正是这个适中的电位差，成为了调控界面反应的旋钮。在纯镁负极上，反应是无差别地“狂轰滥炸”，迅速生成厚实且绝缘的钝化层。而在Mg-Sn合金中，电位差使得界面反应被优先引导至Mg₂Sn相上发生。
这就像在海岸上预先修筑了消波堤——原本可能摧毁一切的能量，被引导到特定区域，反而有助于维持主体区域的稳定。
更重要的是，Mg₂Sn相并非孤立存在，而是在合金内部形成了一个连续的网络状结构。与此同时，α-镁基体本身也保持着畅通的通道。
图说：Mg阳极和镁锡合金阳极长期循环后反应机制对比
DOI: 10.1021/acsenergylett.6c00909
这种双连续的网络结构，实现了两项至关重要的功能。
一方面，连续的第二相网络可以反复、可控地在自身位置触发界面反应，持续“清理”可能形成的钝化产物，防止其堆积成阻碍离子传输的厚层。
另一方面，连续的α-镁通道则确保了镁离子能够高效地穿越负极，实现快速的剥离与沉积。二者协同，如同为电池同时配备了高效的“破冰船”和畅通的“航道”。
实验数据令人惊喜。在传统的纯镁对称电池中，其峰值剥离电流密度仅约0.0012毫安每平方厘米，循环几百小时后过电位便会急剧攀升。
而采用了Mg₂Sn第二相工程的镁锡合金负极，其峰值剥离电流密度一举跃升至0.53毫安每平方厘米，达到了纯镁的440倍。
在长达0.1毫安每平方厘米的稳定循环测试中，这款合金负极更是创纪录地稳定运行了超过1300小时，而过电位始终维持在0.05伏以下的极低水平。
相比之下，不含这种优化第二相结构的其他镁合金（如镁-铝、镁-镧等），其循环寿命大多只有一两百小时，且极化现象严重。
图说：不同金属/合金材料阳极循环寿命对比
DOI: 10.1021/acsenergylett.6c00909
这项突破性的工作，不仅为固态镁电池提供了一个目前循环性能最优的负极方案，更重要的，它为固态电池的镁合金阳极设计提出了三项指导原则。
首先，第二相必须形成一个连续、坚韧的渗透网络；其次，第二相与主体金属之间的电位差应适度为正，以便可控地激活界面反应；最后，主体金属本身的输运通道必须保持连通。
该研究的通讯作者之一、东北大学高级材料研究所（WPI-AIMR）的Hao Li教授总结道：“长期以来，界面反应被视为需要避免的麻烦。但我们的结果表明，当这些反应被精心引导而非简单抑制时，它们反而能帮助固态镁电池发挥出远超预期的性能。”
这一通过第二相工程实现反应性与离子传输平衡的策略，也为其他面临类似界面困境的下一代电池体系（如钠、锌、铝电池）照亮了新的探索方向。
Reference：
[1]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.6c00909
[2]https://interestingengineering.com/energy/magnesium-tin-alloy-solid-state-battery-stability
[3]https://www.eurekalert.org/news-releases/1129521
[4]https://www.tohoku.ac.jp/en/press/new_magnesium_alloy_design_improves_stability_and_ion_transport.html
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