缺陷工程能否减轻Mg²⁺在可充电镁电池正极材料中的强库仑效应？

缺陷工程能否减轻Mg²⁺在可充电镁电池正极材料中的强库仑效应？

引用

科学网

1.

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可充电镁电池（RMB）作为一种潜在的“后锂离子电池”系统，因其高理论容量和安全性而备受关注。然而，Mg²⁺在正极材料中的缓慢扩散动力学限制了其实际应用。缺陷工程作为改善离子扩散动力学的有效策略，已在多种RMB正极材料中得到验证。本文综述了缺陷工程在无机插嵌型正极材料中的作用机制、应用方法及未来发展方向，为高性能RMB正极材料的设计提供了重要参考。

Mg²⁺在无机插嵌型正极材料中的迁移机制

Mg²⁺在无机插嵌型正极材料中的迁移路径主要受阴离子框架影响。迁移能垒主要受以下因素影响：

• 工作温度
• 阴离子框架
• 宿主材料的几何构型
• Mg²⁺的扩散通道
• 宿主材料中阳离子的类型

图1展示了Mg²⁺在不同类型无机插嵌型正极材料中的迁移路径分析。

缺陷工程的作用机制

缺陷工程通过以下途径改善Mg²⁺的扩散动力学：

1. 加速Mg²⁺扩散和电子转移

• 引入空位：削弱Mg²⁺与宿主框架之间的静电相互作用，降低迁移能垒。
• 掺杂：改变宿主材料的电子排列，减小带隙，提高电子导电性。

2. 增加Mg²⁺储存位点

• 阳离子空位：扩大扩散通道，增加储存位点。
• 掺杂：扩大层间距，暴露出更多活性位点。

3. 增强宿主材料结构稳定性

• 掺杂：拓宽迁移通道，减少体积变化，抑制有害相变。
• 非化学计量合成：提高结构稳定性。

图3总结了缺陷工程在无机插嵌型正极材料中的作用。

缺陷工程的应用方法

缺陷的引入方法可分为物理策略和化学策略两大类。具体包括：

• 空位缺陷：阴离子空位和阳离子空位
• 掺杂缺陷：取代掺杂和层间掺杂

图7展示了引入缺陷的主要方法。

未来展望

尽管缺陷工程在RMB正极材料中已取得显著进展，但仍面临以下挑战：

• 机理理解：对缺陷影响Mg²⁺扩散的机制理解尚浅。
• 界面问题：Mg²⁺在电极-电解质界面的迁移仍需优化。
• 综合策略：需要结合人工智能、先进表征手段和软化学方法等多学科手段。

图8展示了缺陷工程在无机插嵌型正极材料中应用的未来展望。

本文原文来自Nano-Micro Letters，2025年第17卷第4期，doi: 10.1007/s40820-024-01495-1。