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編者按： 隨著新能源汽車市場的快速崛起和儲能市場的快速發(fā)展，對鋰離子電池的需求也在不斷攀升，市場需求的激增也讓人們普遍擔憂全球相關(guān)資源的儲量能否支撐汽車大規(guī)模電動化和儲能需求的大幅增加，甚至有人擔心未來會不會出現(xiàn)能夠左右全球能源格局的新“中東”地區(qū)。對于鋰離子電池前景的擔憂也促使人們不斷嘗試開發(fā)新型儲能電池，這其中Mg離子電池憑借著優(yōu)異的安全性（無枝晶）、低廉的價格的優(yōu)勢吸引了廣泛的關(guān)注，那么在后鋰離子電池時代Mg離子電池能夠脫穎而出呢？

Mg離子電池面臨的挑戰(zhàn)

雖然Mg離子電池在理論上具有優(yōu)異的性能，但是要Mg離子電池要成功商用還需要克服不少的難題，例如能夠讓金屬鎂負極穩(wěn)定充放電的電解液的開發(fā)、高穩(wěn)定正極材料的開發(fā)和低電壓問題等【1】。

1. 電解液

在鋰離子電池中負極表面的SEI膜能夠起到保護負極，減少副反應的作用，但是研究表明Mg離子電池中負極表面形成的SEI膜不僅是電子的絕緣體，也是離子的絕緣體，因此在Mg離子電池中要極力避免形成負極SEI膜【2】。傳統(tǒng)的水溶液會在Mg負極表面形成一層MgO層，從而嚴重的抑制Mg2+的擴散，導致極化急劇增加，因此目前Mg離子電池的電解液基本上都使用醚類體系，常見的醚類電解液主要分為三類：1）有機金屬復合物電解液；2）傳統(tǒng)Mg鹽電解液；3）B鹽電解液，這些電解液都能夠有效的避免Mg負極表面產(chǎn)生SEI膜。

2. 正極材料

相比于電解液，Mg離子電池正極材料的開發(fā)顯得更為棘手，鎂離子電池正極材料開發(fā)主要面臨一下幾個問題：

MgO惰性層：目前常見的Mg離子電池正極材料在嵌入的過程中會不可逆的生成一層MgO層，從而影響Mg2+的擴散，導致正極材料的可逆性較差。

Mg2+低擴散系數(shù)：Mg2+在正極材料中擴散系數(shù)低主要來自兩方面的原因：首先是由于離子之間較強的相互作用，影響了Mg2+的擴散速度；其次是Mg2+帶有兩個電荷，使得在嵌入的過程中無機正極材料中過渡金屬元素需要失去兩個電子，然而大多數(shù)過渡金屬氧化物都是單電子反應，這也進一步降低了Mg2+的嵌入速率，同時雙電荷導致的復雜電化學反應也會導致材料局部的相變。在這些因素的作用下導致Mg離子電池的正極材料面臨著低容量、低電壓、低倍率性能等一系列問題。

為了克服這一問題，人們也做了非常多的努力，例如采用介孔和納米微孔材料減少Mg2+的擴散距離，而三元鉬硫化合物MxMo6X8很好的解決了倍率性能差這一問題，但是仍然面臨著電壓平臺低的問題。



電壓平臺低：低電壓問題一直困擾著Mg離子電池，Mg2+的高反應活性導致的更加復雜的電化學特性使得高電壓的正極材料難以應用，因此使得Mg負極與正極材料之間的電勢差縮小導致了Mg離子電池的電壓較低。

Mg離子電池的機遇

不難看出Mg離子電池的發(fā)展的核心難點主要集中在高性能正極材料的開發(fā)上，傳統(tǒng)的無機氧化物正極材料在Mg2+嵌入過程中會在正極材料表面形成MgO惰性層，從而嚴重的影響正極材料的性能，倍率性能差和電壓平臺低也一直困擾著正極材料的開發(fā)。

相比于無機正極材料，有機正極材料為Mg離子電池帶來了無限的可能，首先有機材料具有更加靈活的擴散通道和更小的分子間作用力，電荷離域化和可轉(zhuǎn)動鍵等特性使得Mg2+具有更快的擴散系數(shù)，從而顯著提升了Mg離子電池的倍率性能，同時有機物正極材料良好的柔性也為Mg離子電池在下一代柔性可穿戴電子設(shè)備上應用創(chuàng)造了條件。

有機物近乎無限的可能性也讓高容量和高電壓成為了可能，例如Dominko等人采用1,5-聚（蒽醌基硫化物）化合物（PAQS）作為正極材料，Mg粉作為負極材料，能夠獲得225mAh/g的容量，同時電壓也達到了1.5-2.0V（vs Mg/Mg2+），但是PAQS還面臨著循環(huán)性能不佳的問題，因此還需要進行進一步的優(yōu)化。而Liao等人開發(fā)的2,6-聚蒽醌材料（26PAQ）和1,4-聚蒽醌（14PAQ）在保持高電壓（1.6V和1.8V）的特性下，仍然維持了非常優(yōu)異的循環(huán)性能，例如14PAQ材料在1C倍率下循環(huán)1000次后容量保持率仍然可達90%以上。憑借著有機物無與倫比的可設(shè)計性使得同時具有高容量、高倍率性能和高循環(huán)穩(wěn)定性的高性能Mg離子電池正極材料的開發(fā)成為可能。



Mg離子電池的未來

雖然有機類正極材料還不是Mg離子電池的研究主流，但是有機類材料表現(xiàn)出的優(yōu)異性能讓我們看到了其巨大的潛力，有機物結(jié)構(gòu)的靈活性讓我們可以通過優(yōu)化有機物的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更高的電壓和更高的容量，并解決有機物溶解、循環(huán)穩(wěn)定性差的問題，同時提升有機物正極材料的倍率性能，可以說有機物類正極材料的開發(fā)對于Mg離子電池能夠成功應用起著至關(guān)重要的作用。
原標題：后鋰離子電池時代，鎂離子電池能否獨領(lǐng)風騷？