山大冯金奎EnSM: 界面液态金属工程实现Mg-S电池的高可逆Mg负极

金属镁因其低电化学势和高理论容量而成为可充电镁离子电池（MIB）的一种有前途的负极材料。然而，液态电解质钝化导致镁电极界面上的低Mg²⁺电导率阻碍了其发展。此外，镁金属负极能否形成镁枝晶也存在争议。

在此，山东大学冯金奎教授等人发现镁金属负极可以形成镁枝晶，因而提出了一种新的策略，通过在镁箔上简单涂覆一层薄液态金属Ga层形成Ga₅Mg₂合金层来提高镁负极的稳定性。该策略有以下几个优点：

1）该涂层方法非常简单；

2）Ga₅Mg₂合金层可紧密包覆在镁箔表面，即使弯曲、折叠、加热和镀/剥时也不会脱落；

3）Ga₅Mg₂合金层的化学反应性低于纯镁箔，它可以作为保护层缓解界面腐蚀，促进可逆的镀镁/剥离；

4）Ga₅Mg₂合金是一种混合离子/电子导体，可在界面上实现快速的电化学动力学；

5）在镀镁/脱镁过程中，Ga₅Mg₂合金层的相组成可以保持稳定；

6）Ga₅Mg₂合金由于存在亲镁Ga位点而表现出一定的亲镁性，在镀镁/脱镁过程中可以减少成核势垒，从而使Mg沉积均匀且无枝晶。

图1. Ga₅Mg₂-Mg的制备及表征

基于上述优势，Ga₅Mg₂-Mg对称电池可以持续使用500小时而不发生短路。而Mg对称电池的电压在27小时左右突然下降到一个很小的值，表明发生了短路，这是由Mg枝晶的形成引起的。基于KB/S复合材料作为正极材料，作者组装了Mg-S全电池以评估Ga₅Mg₂-Mg电极的实际应用能力。

结果显示，Ga₅Mg₂-Mg/S电池第2次循环的放电比容量为 485.2 mAh g^-1，在0.1 C下循环30 次后比容量为 312.2 mAh g^-1。而对于纯Mg/S电池，循环后的放电比容量直接从 464.6下降到 223.2 mAh g^-1。此外，优化Ga₅Mg₂层的厚度、改变液态电解质的成分或液态金属的种类可能会进一步提高MIB的电化学性能，这项研究可以启发相关研究人员并为高能镁金属电池铺平道路。

图2. Ga₅Mg₂-Mg电极的电化学性能

Highly reversible Mg metal anodes enabled by interfacial liquid metal engineering for high-energy Mg-S batteries, Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.03.046