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得益于鎂金屬的低毒性、高地殼豐度以及極高的體積比容量(3833 mAh cm-3)等優(yōu)勢，鎂金屬二次電池一直備受研究人員的關(guān)注。在研究歷程中，研究人員普遍相信，鎂金屬負極具有不易生長枝晶的特性。然而，最近的一些研究報道表明，在特定電解液體系和超高電流密度下，“鎂枝晶”問題同樣不可避免。因此，研究人員針對鎂金屬負極的安全性展開了激烈討論，至今未有定論。與此同時，有關(guān)各類金屬負極的研究表明，溶出行為會顯著影響后續(xù)沉積過程，但是，針對鎂金屬負極溶出行為的研究一直鮮有報道。因此，深入探討鎂金屬負極在較大電流密度以及面容量下的沉積/溶出行為是十分迫切的。
近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究員崔光磊團隊，系統(tǒng)地證實在與鎂金屬負極兼容性較好的含氯鎂電解液中，在實用化的電流密度和面容量條件下(≤ 5 mA cm-2，> 4 mA h cm-2)，在不做任何集流體修飾的前提下，鎂金屬沉積物依舊均勻且致密，充分體現(xiàn)了鎂金屬負極的獨特優(yōu)勢。但是在0.1-1 mA h cm-2的適中電流密度范圍內(nèi)，鎂金屬負極的不均勻溶出行為造成其表面出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕坑，進而導(dǎo)致后續(xù)循環(huán)過程中的鎂金屬沉積不均勻，最終造成鎂金屬負極的過早失效或內(nèi)短路問題。更有趣的事，在含氯鎂電解液體系中，這種不均勻溶出行為與施加電流大小存在密切聯(lián)系。通過對比多種含氯/不含氯電解液中的溶出行為，結(jié)合無損三維同步輻射X射線斷層掃描技術(shù)以及原位譜學(xué)等表征手段，研究團隊證明，施加電流大小直接影響了電化學(xué)反應(yīng)界面處的含氯物種分布，進而引發(fā)了不同的鎂溶出行為。具體而言，在不同電流密度下，電化學(xué)反應(yīng)速度與含氯離子擴散速度間的競爭關(guān)系共同決定了電極/電解質(zhì)界面處含氯離子絡(luò)合物濃度分布情況，從而影響了鎂金屬溶出行為。針對異常溶出行為帶來的不良影響尤其是安全隱患，研究團隊表示，攪拌電解液、提高電解液濃度、適當(dāng)提高電流密度以及使用具有界面離子濃度梯度均化作用的添加劑都是有效改善這一問題的方法。這項研究將引起人們對各種金屬負極溶出行為的關(guān)注，并啟發(fā)科研人員綜合考慮金屬負極的沉積-溶解過程，從而判斷其真正的實用性。相關(guān)研究成果發(fā)表于《先進材料》(Advanced Materials)。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、山東省重點研發(fā)計劃等項目的資助與支持。
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