溶剂化镁多硫化物实现镁硫电池的低能垒物种转换

为何更好的电池需要更好的液体

我们的手机、汽车和电网都依赖于安全、寿命长且能在更小体积内存储更多能量的电池。镁–硫电池是有前景的下一代选择，因为它们使用丰富的材料，并且理论上比现有的锂离子电池能量密度更高。然而在实际应用中，它们容量衰减快且浪费了大部分潜力。本研究表明，一个出人意料但微妙的因素——包围带电粒子的液体——可以决定镁–硫电池的性能成败。

从简单液体到关键调节钮

在镁–硫电池内部，能量存储取决于硫在充放电过程中如何改变形态。硫并不是一次性转换，而是经过一系列溶解的链状分子——称为多硫化物——的演变，每种多硫化物带负电并与带正电的镁离子配对。作者意识到，电解液中溶剂分子如何包围这些配对——即溶剂化——在很大程度上被忽视了，尽管它可能强烈影响硫从一种形态向另一种形态转换的难易程度。

比较四种几乎相似的液体

为检验该想法，团队比较了四种密切相关的醚类溶剂，标记为 DME、G2、G3 和 G4。理论上这些液体看起来非常相似：每种都由可抓取镁离子的含氧重复单元构成。然而在其他条件相同的镁–硫电池中使用时，它们表现出截然不同的行为。通过计算机模拟，研究人员考察了镁、硫链和溶剂分子如何排列。他们定义了一个“屏蔽能力”度量，描述溶剂将镁从硫链上拉开的强弱。G2 溶剂提供了最强的屏蔽，意味着镁更多地与液相相互作用，而与硫的直接相互作用较少。

更低的能垒与更平滑的转变

这种屏蔽对硫物种在电池运行中如何平滑地相互转换至关重要。量子级别的计算表明，当溶剂更好地屏蔽镁时，硫链中的关键键更容易断裂，从而降低了从长链到短链再到固态硫化镁的逐步转化的能量障碍。电化学测试也支持这一点：使用 G2 的电池表现出更低的电压损失、更可逆的充放电曲线以及比其他溶剂更高的硫利用率。实时跟踪化学过程的光谱测量证实，在 G2 中，硫更稳定地经过溶解的多硫化物阶段，并滞留于能够贡献大量容量的形态，而不是陷入惰性产物中。

从液相向更好的固相构建

液相环境还影响最终固体产物硫化镁在硫电极上的形成和生长。通过对成核行为的详细测试、模拟和电子显微镜观察，作者发现 G2 促使许多小而三维的硫化镁颗粒形成并均匀分布。这种开放的细小晶粒层为离子和电子留下了大量通道，使电池能持续工作。相比之下，较不利的溶剂会导致稀疏、成团的沉积物，堵塞孔隙并切断活性物质，结果是更快的容量损失和较差的循环性能。

把洞见转化为实用性能

当这些微观优势综合起来时，基于 G2 的电解液在实际性能上表现显著更好。采用 G2 的镁–硫扣式电池的平衡工作电压约为 1.1 伏，在超过一百次充放电循环中保持稳定循环，并实现接近理论预测的高容量。即使是更接近实用设备的袋式电池，在多次循环后每克硫仍能保留超过 600 毫安时的容量。用通俗的话说，精心选择让镁与硫之间的束缚适度放松的电池液体，使得电化学反应能更顺畅、更高效地进行。

这对未来能源存储意味着什么

这项工作表明，电池中的液体远非惰性填充物——它主动编排带电粒子如何相遇、移动并装配成固体。通过将溶剂设计为恰到好处地屏蔽镁，研究人员可以引导硫通过低阻路径并构建行为更好的电极层。这一设计原则有助于缩小镁–硫电池令人印象深刻的理论潜力与电动汽车及大规模能量存储所需的可靠、高容量器件之间的差距。

引用: Li, J., Zhao, W., Guo, K. et al. Solvating magnesium polysulfides enables low–barrier speciation for magnesium sulfur batteries. Nat Commun 17, 3751 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70598-7

关键词: 镁–硫电池, 多硫化物, 电解液溶剂, 能量存储, 电池化学