王春生教授今年第2篇Science：能量密度高达412和471Wh/kg的金属电池

由于镁和钙的高地壳丰度和容量，可充电镁和钙金属电池（RMBs和RCBs）是锂离子电池（LIBs）的有前途的替代品。然而，它们受到缓慢的动力学和寄生反应的困扰。

为此，美国马里兰大学王春生教授、陆军研究实验室Oleg Borodin等人证明了Mg²⁺和Ca²⁺的溶剂化鞘中的多齿甲氧基乙胺螯合剂[-(CH₂OCH₂CH₂N)_n-] 能够实现高度可逆的Mg和Ca负极以及Mg²⁺和Ca²⁺快速（脱）嵌入高压层状氧化物正极。

作者发现这些螯合剂对Mg²⁺的亲和力比传统醚溶剂高6~41倍，但富含螯合剂的溶剂化鞘通过重组绕过了能量上不利的去溶剂化过程，从而降低了过电位并消除了负极和正极的伴生副反应。

此外，电解液的溶剂化鞘重组可以通过改变螯合剂的介电常数和大小来调节。该成果是王春生教授本年度第2篇Science，且被选为Science封面文章。

图1. 溶剂化鞘的重组

这种方法同时解决了二价金属电池的两个关键挑战：负极的低可逆性和金属氧化物正极的缓慢动力学，使RMBs和RCBs的能量密度与LIBs相当，从而实现了能量密度为分别为412和471 Wh kg^-1的可充电RMBs和RCBs。

该设计原理对一般二价金属电池具有普适性，电解液重组可以通过引入异质供体原子和不太紧凑的结构来调整分子结构，以进一步增强动力学和可逆性从而匹配商业LIB的应用标准。

图2. Mg²⁺和螯合剂在层状氧化物中的嵌入

Solvation sheath reorganization enables divalent metal batteries with fast interfacial charge transfer kinetics, Science 2021. DOI: 10.1126/science.abg3954

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王春生教授今年第2篇Science：能量密度高达412和471Wh/kg的金属电池

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