镁金属二次电池凭借其高能量密度、高安全、低成本、原材料资源丰富等优势而备受产学研界关注。相较于锂、钠金属负极，镁金属负极在电沉积过程中不易形成枝晶，将具有高比容量、高安全特性的镁金属直接用作负极材料，可充分体现其技术的关键优势，是理想的金属负极材料。虽然已有文献报道在极端电沉积条件下能够观察到镁金属枝晶形貌，比如使用低离子电导率的特殊镁电解液或超高电流密度（10 mAh/cm2），但是这些测试条件明显脱离了实际应用需求。
近期，青岛能源所崔光磊研究员带领的固态能源系统技术中心在镁金属二次电池的负极形貌控制方面取得了重要理论突破，将有力推动镁金属二次电池的商业化应用。研究团队发现，当电沉积过程施加的电流密度≤ 5 mAh/cm2时，镁金属沉积物的生长非常均匀、致密。然而，在使用聚烯烃薄隔膜的纽扣式镁电池中，小电流充放电就会发生电池内短路现象。研究人员结合电化学测试与微观形貌观察的结果，提出了镁金属沉积物的岛状生长行为模型，合理解释了扣式电池的异常短路行为。通过进一步调控镁沉积物基底的表面晶格参数和表面能，实现镁金属沉积物的层状生长，有效解决了上述异常短路问题。另外，研究人员利用具有低晶格错配度、高表面能特性的亲镁三维集流体（Ni(OH)2@CC）作为金属镁沉积基底，不仅实现了镁金属负极的可逆沉积/剥离，而且用于匹配高负载Mo6S8正极（30 mg/cm2），实现了稳定的电池循环性能。相关研究成果近日发表于ACS Energy Letters期刊上，文章第一作者为王贵鑫、刘鑫，通讯作者为崔光磊研究员和杜奥冰副研究员。
图1 镁金属沉积物的层状生长示意图和不同沉积基底的性能对比
此外，研究团队基于近期在镁金属负极方面的研究积累，受邀在材料学权威期刊Advanced Materials上发表了观点性综述。研究人员对金属电沉积行为中的常用理论模型进行了梳理分类，主要分为扩散限制理论和成核理论两类，并在此基础上首次提出“扩散控制缓冲区”概念，即定义电流密度超过电沉积极限电流密度，但沉积时间尚未达到sand’s time的这一部分区域为缓冲区。当电沉积条件处于该缓冲区中，就可以获得致密、均匀的金属沉积层，避免枝晶形貌生长。该缓冲区概念的提出，能有效提升金属负极在高电流密度、大面容量条件下的充放电可逆性，有助于镁金属二次电池负极结构的创新设计，并且适用于其他金属负极电池体系。文章第一作者为刘鑫，通讯作者为崔光磊研究员、董杉木研究员和杜奥冰副研究员。
图2 扩散限制理论、成核理论和“扩散控制缓冲区”概念的示意图
上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持与资助。（文/图 王贵鑫，刘鑫，杜奥冰）
原文链接1：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.3c02058
原文链接2：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202306395
