山东大学张忠华课题组：引入第二相及相界面提升Sn基负极储镁活性

山东大学张忠华教授团队通过实验和模拟计算，提出了引入第二相及相界面激发并提高Sn基负极储镁性能的通用性策略。

镁离子电池由于其丰富的原材料、无枝晶问题及高的理论比容量，在某些场合下有望替代锂离子电池使用。而使用合金型负极材料不但能够有效规避镁金属在传统电解液中的钝化问题，而且有利于与高电压/容量的正极和传统电解液匹配，从而构建高性能镁离子电池体系。金属Sn由于具有较低的镁化电压、较高的理论比容量以及与传统电解液兼容等优势表现出了极大的应用潜力。然而，差的电化学储镁活性以及缓慢的扩散动力学限制了其在镁离子电池中的实际应用。

最近，山东大学材料科学与工程学院张忠华教授团队利用磁控溅射手段，在Sn中引入三种不同类型的第二相（非活性相Al，活性相Pb以及氧化物相ZnO）制备了双相Sn-Al、Sn-Pb和Sn-ZnO薄膜用于镁离子电池负极。以Sn-Al体系为例，通过一系列实验揭示了不论在纳米还是微米尺寸，引入非活性Al相及相界面均能够有效激活Sn与Mg的电化学反应，而且轧制Sn-Al电极表现出了超长的循环稳定性（> 5000圈）。另外，通过DFT模拟验证了实验结果的合理性，发现引入第二相Al及相界面显著降低了Mg嵌入Sn相的缺陷形成能。原位XRD技术揭示了双相Sn-Al电极的储镁机理，并且Sn-Al负极表现出与传统电解液（如Mg(TFSI)₂）的良好兼容性。值得注意的是，引入金属相Pb和氧化物相ZnO同样赋予了 Sn相储镁能力，表明引入第二相及相界面来激发并促进Sn与Mg的电化学反应是一个普适性的策略。论文第一作者为山东大学宋美佳，通讯作者为张忠华教授。

详见：Song M, Wang Y, Si C, Cui W, Yang W, Cheng G, Zhang Z. Phase-boundary regulation boosting electrochemical reactivity of tin-based anodes for magnesium-ion batteries. Sci China Chem, 2022, 65, https://doi.org/10.1007/s11426-022-1293-2

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通讯作者简介

张忠华 山东大学材料学院/材料液固结构演变与加工教育部重点实验室教授。主要从事纳米金属材料的设计合成、能源存储及电化学催化等研究。在Adv Mater、Adv Energy Mater、ACS Nano等刊物上发表学术论文200余篇。