据外媒报道，在近期发表在期刊《自然通讯（Nature Communications）》上的研究中，中国研究团队开发出长寿命、快充电、高容量的镁@黑磷（Mg@BP）复合负极，以用于非水系镁电池。

（图片来源：nature.com）

近年来，随着电网储能和电力传输系统的快速发展，人们对“后锂离子电池”的需求大幅增加，其中非水系镁电池因镁负极的固有特性备受关注。作为一种经济高效的替代负极材料，镁的地球储量丰富，并可提供有吸引力的比容量和体积容量，以及较低的还原电势。但是，现有镁负极材料往往与各种电解液相容性较差。此外，明显的体积变化和严重的副反应会导致负极结构崩塌、电解液耗尽，这些问题导致镁利用率低，以及在长期循环过程中性能快速下降。

在这项研究中，该团队以黑磷为基质开发出一种Mg@BP复合材料，并将其作为非水系镁基电池的负极，具体来说是利用黑磷纳米片来合成复合负极。研究人员的目标是创建一种具有良好电解质兼容性、快速充电能力、长寿命、均匀沉积行为和直接合成的镁复合负极。

制备方法

在制备Mg@BP复合负极时，研究人员将黑磷浆料涂在铜集电器上，在真空中以80℃干燥24小时，从而制成黑磷电极。集电器上的黑磷质量负载估计约为0.5 mg cm−2。

通过调节浆料的浇铸量来控制黑磷层的厚度。另外，将浆料涂在聚四氟乙烯（PTFE）薄膜上，并在干燥后将其剥离，从而制备出独立的黑磷（F-BP）电极。

在具有受控面积容量和电流密度的镁电池中，将镁涂覆在合成黑磷基电极上。在沉积过程结束后，拆解不对称电池从而得到Mg@BP基复合负极。

这些合成的镁复合负极被命名为Mg@F-BP和Mg@BP。研究人员还使用同样的方法合成了对照复合负极。将镁镀在常用的集电器（铜、铝和碳纤维）上，从而制成相应的复合镁负极Mg@Al、Mg@C和Mg@Cu。

研究人员同时制备了微纳米级硫化铜（CuS）正极。结合理论和实验方法，研究人员采用非原位透射电子显微镜（TEM）、原位光谱、理论计算和模拟等最新技术，探讨了复合负极的制备机理。

研究结果

结果表明，Mg²⁺最初部分插入到黑磷晶体结构中，从而形成具有金属性质的化学稳定MgₓP中间体（有限插入/第一阶段）。随后，将金属镁电化学沉积在早期形成的MgₓP/黑磷上，从而合成Mg@BP复合负极（稳定电镀/第二阶段）。这种有限的嵌入触发了从半导体黑磷到金属化合物的转变，使Mg@BP复合负极具有快速电荷转移和亲镁性质。这促进了镁的均匀生长行为和成核，而这是在原始金属镁负极和其他复合负极上难以实现的。

在不对称纽扣电池配置中，Mg@BP电极在800次循环（1600小时）内表现出稳定的剥离/电镀性能，库伦效率为99.98%，累积容量为3200 mAh cm⁻²。Mg@BP | |纳米-CuS纽扣电池组装和测试表明，在560 mA g⁻¹的比电流下，放电容量为398 mAh g⁻¹，平均电池放电电势为1.15 V，在25℃下225次循环过程中的衰减率为每次循环0.016%。

总体而言，这项工作证明将Mg@BP复合负极用于非水系镁电池的可行性，表明了储能技术的潜在进步。