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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(dān)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(dān)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(dān)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(jià)格的優(yōu)勢吸引了廣泛的關(guān)注，那么在后鋰離子電池時(shí)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(fù)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(fù)極表面的SEI膜能夠起到保護(hù)負(fù)極，減少副反應(yīng)的作用，但是研究表明Mg離子電池中負(fù)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(fù)極SEI膜【2】。傳統(tǒng)的水溶液會在Mg負(fù)極表面形成一層MgO層，從而嚴(yán)重的抑制Mg2+的擴(kuò)散，導(dǎo)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(jī)金屬復(fù)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(fù)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(gè)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(kuò)散，導(dǎo)致正極材料的可逆性較差。

Mg2+低擴(kuò)散系數(shù)：Mg2+在正極材料中擴(kuò)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(qiáng)的相互作用，影響了Mg2+的擴(kuò)散速度；其次是Mg2+帶有兩個(gè)電荷，使得在嵌入的過程中無機(jī)正極材料中過渡金屬元素需要失去兩個(gè)電子，然而大多數(shù)過渡金屬氧化物都是單電子反應(yīng)，這也進(jìn)一步降低了Mg2+的嵌入速率，同時(shí)雙電荷導(dǎo)致的復(fù)雜電化學(xué)反應(yīng)也會導(dǎo)致材料局部的相變。在這些因素的作用下導(dǎo)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M(fèi)g2+的擴(kuò)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(yīng)活性導(dǎo)致的更加復(fù)雜的電化學(xué)特性使得高電壓的正極材料難以應(yīng)用，因此使得Mg負(fù)極與正極材料之間的電勢差縮小導(dǎo)致了Mg離子電池的電壓較低。

Mg離子電池的機(jī)遇

不難看出Mg離子電池的發(fā)展的核心難點(diǎn)主要集中在高性能正極材料的開發(fā)上，傳統(tǒng)的無機(jī)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(yán)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(jī)正極材料，有機(jī)正極材料為Mg離子電池帶來了無限的可能，首先有機(jī)材料具有更加靈活的擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)，從而顯著提升了Mg離子電池的倍率性能，同時(shí)有機(jī)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(yīng)用創(chuàng)造了條件。

有機(jī)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(fù)極材料，能夠獲得225mAh/g的容量，同時(shí)電壓也達(dá)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(jìn)行進(jìn)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(dá)90%以上。憑借著有機(jī)物無與倫比的可設(shè)計(jì)性使得同時(shí)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(jī)類正極材料還不是Mg離子電池的研究主流，但是有機(jī)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(jī)物結(jié)構(gòu)的靈活性讓我們可以通過優(yōu)化有機(jī)物的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更高的電壓和更高的容量，并解決有機(jī)物溶解、循環(huán)穩(wěn)定性差的問題，同時(shí)提升有機(jī)物正極材料的倍率性能，可以說有機(jī)物類正極材料的開發(fā)對于Mg離子電池能夠成功應(yīng)用起著至關(guān)重要的作用。
原標(biāo)題：后鋰離子電池時(shí)代，鎂離子電池能否獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷？