可充电镁电池代表了锂离子电池技术的一种可行的替代方案，可以潜在地克服其安全性、成本和能量密度的限制。然而，电解质配合物的缓慢解离和镁离子（Mg²⁺）在固体中的低迁移率，特别是在锂离子电池中常用的金属氧化物中，这阻碍了竞争性室温镁电池的发展。

近日，苏州大学耿凤霞报道了氧化晶格中的Mg²⁺不仅在室温下实现了真正的插层/脱层和快速扩散，而且在零下温度下也实现了真正的插层/脱层和快速扩散。

文章要点

1）研究人员将质子放置在带负电的缺金属氧化片上，并在一定距离上将这些氧化片杂乱无章地堆叠起来。片间质子的存在促进了Cl^-离子的剥离，而由于各向异性Smoluchowski效应使波函数沿独特的片面上的原子槽扩展，从而保证了Mg²⁺的快速扩散。这导致了平坦的势能面和扩散通道的形成，使Mg²⁺的电导率达到了创纪录的1.8×10⁻⁴ S cm⁻¹。

2）实验结果表明，制备的镁离子电池在保持113.0 Wh kg⁻¹高能量密度的同时，也具有7.4 kW kg⁻¹的高功率密度。实际应用表明，充电55 s后的电池可稳定长时间放电4.5 h。即使在−15 °C以下温度下，电极容量仍保持在55%以上，扩散系数在10⁻⁹~10⁻¹¹ cm^-2 s⁻¹（室温10⁻⁸到10⁻¹⁰ cm^-2 s⁻¹）范围内。

3）该策略具有通用性，可以很容易地应用于其他二维电极材料，包括氧化钛、氧化锰和氧阴离子端基碳化钛。

参考文献

Jinlin Yang, et al, Genuine divalent magnesium-ion storage and fast diffusion kinetics in metal oxides at room temperature, PNAS, 2021

DOI: 10.1073/pnas.2111549118

https://doi.org/10.1073/pnas.2111549118