利用阴离子受体介导电解液实现的高性能氟化镁电池原型的开发

为电力需求飙升的世界带来更安全、更廉价的电池

随着家庭、汽车和电网对电力的需求不断增加，当今的锂离子电池在成本、安全性和原材料方面面临严峻质疑。这项研究探索了一种有前景的替代方案：以镁为核心的电池，镁是一种常见且廉价的金属。通过巧妙地重新设计电池内部的液体——电解液，研究人员展示了如何开发出一种新的高能量镁–氟化物电池，该电池工作效率高，循环寿命达数百次，甚至在零下温度下仍能持续工作。

为何镁值得更深入研究

镁电池具有吸引力，因为镁金属在地壳中储量丰富，并且能在较小体积内存储大量电荷。与锂不同，镁不太容易形成可刺穿隔膜并导致短路的针状枝晶，从而提高了安全性。然而，镁技术的发展陷入停滞，主要原因是难以找到既能提供高能量又能保持长寿命的合适正极材料。传统材料如硫化物和氧化物要么工作电压较低，限制了电池的能量密度，要么镁离子迁移速度太慢，导致功率和寿命受损。金属氟化物，特别是氟化铁和氧氟化铁，提供了远高于传统材料的能量，但它们与镁一起高效工作的难度大。

一种驯服棘手电解液的聪明添加剂

问题的核心在于电解液，即在电池两极之间传导电荷的液体。一种常用的镁电解液，被称为全芳基络合物溶液，离子电导良好且与镁金属兼容，但它含有基于氯化物的簇，这些簇会侵蚀金属部件并在高电压下分解。研究团队在该溶液中引入了一种特殊分子——三(五氟苯基)硼烷，作为一种“阴离子受体”。通过计算机模拟、核磁共振和拉曼光谱，他们证明该添加剂选择性地捕获含氯物种并与溶剂相互作用。这一作用打散了最具腐蚀性的镁–氯化物簇，分散了负电荷，并削弱了溶剂和氯离子对镁离子和锂离子的紧密结合。

让离子运动更快、界面更耐久

通过放松这些配位，定制的电解液降低了离子在进入或离开电极前脱去溶剂和氯离子“外壳”的能量代价——这一过程常常是电池减速的关键步骤。计算显示，该添加剂显著降低了镁–氯键断裂的能垒，这是该过程中最慢的步骤。实验证实，这种化学改性拓宽了电解液的安全工作电压窗口并大幅降低了常用金属集流体的腐蚀。同时，镁仍然可以在负极可逆地镀/剥。总体而言，电解液保持了与原溶液相似的体相电导，但显著改善了界面稳定性和电荷传输动力学。

一种高能量镁–氟化物电池的实践

凭借这种改进的电解液，研究人员构建了一种使用氧氟化铁正极的完整镁电池。该设计巧妙地结合了锂离子和镁离子：锂离子帮助氧氟化铁快速且可逆地反应，而负极的镁金属则提供高能量和更高的安全性。在室温测试中，该电池表现出约354毫安时每克的高可逆容量，并在电流增大十倍时仍保持有用的容量。在–20°C下，它在200个循环中仍能提供177毫安时每克的容量。当反应限制在更温和的“嵌入”过程时，电池循环次数超过500次且每个循环的容量损失很小，平均电压约为1.77伏，表明具有长期耐久性。

这对未来能量存储意味着什么

对普通用户而言，主要结论是：通过在电解液中采用更聪明的化学方法，可以将一种有前景但存在问题的材料体系转变为实用的高性能电池。通过使用阴离子受体来中和腐蚀性物种并加速离子运动，研究团队为高能量镁–氟化物电池打开了大门，这类电池相比许多现有技术在安全性、成本和耐寒性方面具有优势。尽管仍需进一步工作以减少初始损失并实现规模化，但这种阴离子受体策略为设计超越锂且能满足现代能源系统性能要求的下一代电池提供了强有力的工具。

引用: Chen, K., Lei, M., Wang, T. et al. Exploiting a high-performance magnesium-fluoride battery prototype enabled by anion-receptor-mediated electrolyte. Nat Commun 17, 2143 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68903-5

关键词: 镁电池, 电解液设计, 氧氟化铁正极, 阴离子受体, 能量存储