厦门大学赵金保教授团队 AEM正极/电解液界面重构实现表面氧化还原赝电容主导的高倍率镁电池

第一作者：武东政

通讯作者：赵金保*，杨阳*，曾静*

单位：厦门大学

镁二次电池由于价格低廉、安全性高被认为是非常有吸引力的下一代新型电池。其中，APC电解液与Mg金属负极具有良好的相容性。然而，APC电解液中Mg-Cl复合物的溶剂化结构在嵌入传统正极材料时需要打断Mg-Cl键，这导致正极/电解液界面处的反应能垒较高，从而导致镁二次电池的倍率性能不理想。

近日， 厦门大学赵金保教授团队 在国际知名期刊 Advanced Energy Materials 上发表题为 “Surface‐Redox Pseudocapacitance‐Dominated Charge Storage Mechanism Enabled by the Reconstructed Cathode/Electrolyte Interface for High‐Rate Magnesium Batteries” 的研究文章。该文章通过超薄碳涂层与氧空位相结合的策略重新构建了锐钛矿TiO ₂ 的正极/电解液界面。界面重构后使锐钛矿TiO ₂ 绕开了缓慢的Mg ²⁺ 固相迁移，实现了MgCl ⁺ 的快速表面氧化还原赝电容电荷存储机制，最终实现了优异的倍率性能。该文章从理论及实验角度系统地分析了界面重构策略的优势，为开发更有前景的正极材料提供了有价值的见解。

一般来说，正极/电解液界面的构筑通常由溶剂或添加剂在高电位下氧化从而在正极材料表面分解形成良好的界面层。该文章通过化学法制备了超薄碳涂层（6.5 nm左右）和氧空位重构正极/电解液界面的锐钛矿TiO ₂ ，并且该界面在循环过程中保持优异的结构稳定性。

通过对锐钛矿TiO ₂ 的界面进行重构，APC电解液中镁活性离子绕过了Mg ²⁺ 缓慢的固相传输，实现了以MgCl ⁺ 的表面氧化还原赝电容的电荷储能机制。理论计算证明，界面处氧空位的引入能够有效地提升TiO ₂ 对MgCl ⁺ 离子的吸附性，并且超薄碳涂层和氧空位的引入能够有效地提高TiO ₂ 的电子电导率，为实现表面氧化还原赝电容储能机制提供了先决条件。此外，原位电化学阻抗结果证明重构正极/电解液界面增强了锐钛矿TiO ₂ 表面氧化还原赝电容的电荷储能机制。

不同温度下的电化学阻抗谱结果证明重构正极/电解液界面不仅能够有效地提升界面处的电荷转移速率，而且能够降低活性离子的去溶剂化能。此外，原位电化学阻抗谱结果证明重构正极/电解液界面使活性离子在锐钛矿TiO ₂ 中的储存更加不依赖于电位，在更高电位下即可实现活性离子的储存。

正极/电解液界面的研究对了解和提升镁二次电池电化学性能至关重要。目前关于镁二次电池正极/电解液界面的研究较少，尤其是当下还未开发出公认的、具有优异电化学性能的镁二次电池高电压正极材料。该工作通过正极/电解液界面的重构实现了表面氧化还原赝电容主导的储镁机制，为高性能镁二次电池材料的设计提供了新的思路。

Surface‐Redox Pseudocapacitance‐Dominated Charge Storage Mechanism Enabled by the Reconstructed Cathode/Electrolyte Interface for High‐Rate Magnesium Batteries

赵金保 教授，厦门大学化学化工学院特聘教授、guojia特聘专家。1996年毕业于京都大学高分子化学专业，获博士学位，其后在日本日立集团等工作十多年，于2011年全职回国。现任新能源汽车动力电源技术国家地方联合工程实验室主任、电化学技术教育部工程研究中心主任、 guojia 重点研发计划可再生能源与氢能专项专家组成员、教育部科学技术委员会能源与交通学部委员等职。长期从事电化学储能及其关键材料的研究与开发，在锂离子电池的基础研究、体系设计和工程化等方面取得了系列性创新成果，申请发明专利150多项，近百项获得授权（包括40多项日本和美国授权专利），涵盖功能性电解液、高安全性隔膜材料、硅-石墨负极材料、电池包装用铝塑膜材料、多价金属电池等多个方向。在Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Energy & Environmental Science、Energy Storage Materials等国际刊物上发表了200余篇论文。2014年获得中航工业集团科学技术奖二等奖和中国侨联创新成果奖、2017年获得福建省科技jinbu二等奖、2018年获得厦门市科技zhongda贡献奖和第二十届中国专利优秀奖。

杨阳 副教授，博士生导师，入选厦门大学南强青年bajian人才计划。长期从事高安全性快充型锂离子电池、本征安全水系锌电池和电化学原位表征技术的相关工作。主持多项国家、省部级科研项目。已在Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Nano letters、ACS Energy Letters等期刊发表论文50余篇。

曾静 博士，长期从事镁电池领域高性能电极材料和电解液研究，主持guojia qinnian基金1项、福建省自然科学基金1项，在Advanced Energy Materials、ACS Energy Letters、Energy Storage Materials、Chemical engineering Journal等期刊发表多篇研究论文。

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