多元化电池储能技术的发展对我国实现“双碳”战略目标具有重要意义。可充镁电池以其独特的优势成为未来储能技术的理想选择之一。金属镁负极氧化还原电位低，比容量高，不易产生枝晶，并且镁地壳丰度高（2.1%），特别是我国镁矿储量位居世界前列（占世界21%）。发展可充镁电池技术，不仅可以巩固我国在电化学储能领域的优势地位，更能够丰富储能技术储备，实现可持续发展。

      目前镁电池发展的主要难点在于正极材料的开发，镁离子（0.72Å）与锂离子（0.76Å）半径相当，但带有两个单位正电荷，与正极材料作用力强，常见的正极材料储镁容量较低且动力学性能较差。针对此问题，徐飞副教授课题组设计开发了一种四硫代钒酸铜（Cu₃VS₄）正极。V和S原子形成高共价键比例的化学键，促进电子通过V‒S键离域，减少了与二价镁离子的相互作用，诱导了V和S的共氧化还原。Cu3VS4的晶体结构具有交错的3D隧道，有利于固态镁离子传输。Cu₃VS₄具有高容量、高倍率、优异的循环稳定性，且在高活性物质负载情况下仍能实现高倍率性能。该工作近日发表在美国化学会期刊ACS Nano上（ACS Nano, 2024, 18, 28810−28821）。

      设计合成了半导体Cu₃VSe₄镁电池正极，通过类共价V‒Se键促进负电荷离域，通过镁离子嵌入和置换反应机制，实现了Cu、V和Se元素的共氧化还原和较高的储镁反应可逆性。Cu₃VSe₄具有高容量、高倍率，且在高负载量下仍能实现高倍率性能。上述研究所揭示的储镁性质与电子结构的相互关系，为设计高性能镁电池正极材料提供了合理的设计原则。该工作近日发表在Advanced Functional Materials上（Advanced Functional Materials, 2024, 2411223）。

      设计合成了电荷离域的Mo₃S₁₃团簇材料作为镁电池正极，利用类共价Mo‒S键促进负电荷离域和双元素氧化还原，实现了高储镁容量和优异的倍率性能。作为镁离子的缔合位点，Mo₃S₁₃团簇的桥联硫(S‒S)_br的价态在充放电过程中可逆变化且S‒S键断键/成键，使得镁离子的缔合/解缔高度可逆。该工作发表在ACS Nano上（ACS Nano, 2024, 18, 5590‒5598）。

      设计合成了一类二硫键聚酰亚胺镁电池正极材料，聚合物的柔性框架打破了无机晶格对镁离子嵌入的限制，并通过共轭结构的电荷离域削弱了与镁离子的相互作用，有效提升了储镁反应的可逆性和动力学。并且，通过二硫键和硫氧键的可逆断键/成键，促进了羰基的烯醇化和与镁离子的缔合/解缔，有效的提高了储镁容量。该工作近日发表在Energy Storage Materials上（Energy Storage Materials, 2024, 71, 103672）。

      徐飞副教授课题组长期致力于镁电池的研究与开发，截至目前已发表关于镁电池材料与体系的SCI论文四十余篇，围绕镁电池正极的设计难点，提出了：基于软硬酸碱理论的转换型储镁正极，利用“软酸”阳离子与“软碱”阴离子匹配，提升转换型正极的储镁反应可逆性；有机聚合物储镁正极，利用有机聚合物的开放柔性结构解决无机晶格储镁的难点，并通过构建贯穿主链的大共轭结构促进电荷离域，缓冲储镁反应带来的电荷密度变化；基于缔合/解缔机制的开放式储镁正极，通过类共价键促进电荷离域和多元素氧化还原，提升储镁反应可逆性与比容量，利用非晶材料、团簇离子化合物的开放式结构突破嵌入储镁反应的限制。

论文链接：

[1] D. Tao, L. Ran, T. Li*, Y. Cao, F. Xu*, 3D Tunnel copper tetrathiovanadate nanocube cathode achieving ultra-fast magnesium storage reactions through a charge delocalization and displacement mechanism, ACS Nano, 2024, 18, 28810−28821.

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c08576

[2] D. Tao, T. Li*, Y. Tang, H. Gui, Y. Cao. F. Xu*, Cu₃VSe₄ cathode for rechargeable magnesium batteries: Favorable chemical and electronic structures inducing intercalation and displacement reactions, Advanced Functional Materials, 2024, 2411223.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202411223

[3] D. Tao, T. Li*, Y. Tang, H. Gui, Y. Cao. F. Xu*, Mo₃S₁₃ cluster-based cathodes for rechargeable magnesium batteries: Reversible magnesium association/dissociation at the bridging disulfur along with sulfur-sulfur bond break/formation, ACS Nano, 2024, 18, 5590‒5598.

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c11033

[4] S. Cui, T. Li*, D. Tao, D. Zhang*, Y. Cao, F. Xu*, Disulfide bonded polyimide cathode of rechargeable magnesium batteries: Improved capacity via reversible break/formation of disulfide and sulfur-oxygen bonds, Energy Storage Materials, 2024, 71, 103672.

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103672