【研究背景】
镁金属负极在水系电解质中的钝化特性严重阻碍了水系镁电池的发展。为此，本研究提出一种基于溶质–溶剂双重工程的创新策略，采用PEG-TMP共溶剂电解质体系，通过原位化学反应在镁负极表面自发构筑一层保护性氟化界面膜。该策略不仅显著抑制了镁负极的钝化行为，还成功实现了水性电解质中可逆的镁沉积/溶出过程。实验表明，采用该电解液的Mg||Mg对称电池在长达600小时的循环后过电位稳定在0.31 V左右，同时证实了TMP作为共溶剂具有改善含水电解液与镁金属兼容的普适性。PTO||Mg全电池在0.1-2.2 V电压范围内展现出1.25 V的稳定放电平台，放电比容量达138 mAh g-1。
该工作于2025年12月18日，以题为“Solute-Solvent Dual Engineering Enables the Fluorinated Interface of the Mg Anode for Sustainable Aqueous Magnesium Batteries”在ACS Sustainable Chemistry & Engineering期刊在线发表。安阳师范学院张树鑫为论文的第一作者和通讯作者，上海交通大学博士研究生任若彤为论文第二作者。
【研究亮点】
1、首次系统性地提出通过同时调控电解液中的溶剂与溶质阴离子之间的相互作用，来定向设计电极/电解液界面化学。
2、发现TMP能通过强相互作用“束缚”TFSI-阴离子，抑制其在水系环境中分解产生导致钝化的硝酸盐，转而引导其形成富含C-F和Mg-F键的致密氟化界面膜。
3、Mg‖Mg对称电池在水系电解液中可稳定循环超过600小时，过电位仅0.31 V。
4、将TMP共溶剂策略成功拓展至其他溶剂（如：乙腈），同样显著改善了镁负极的循环稳定性，证明了该策略不依赖于特定主溶剂，具有广泛适用性。
【图文导读】
图1：电解液性能对比。(a) Mg||Mg 对称电池在 PEG 和 PT 电解液中的循环性能：PT 电解液过电位显著降低，循环更稳定。(b) 电化学阻抗谱（EIS）：PT 电解液中界面阻抗更低。(c) Tafel 曲线：PT 电解液中腐蚀电位正移，腐蚀电流降低。(d) 在 Zn 电极上的 CV 曲线：显示镁沉积/剥离的可逆性。(e, f) SEM/EDS 和 XRD 分析：证实镁在 PT 电解液中沉积并形成含 Mg、MgO 的层。(g) 原位光学显微镜观察：PT 电解液中可见黑色镁沉积物，PEG 中则无沉积。
图2：界面形貌与润湿性。(a-d) SEM 图像：PEG 和 AN 电解液中镁表面出现蜂窝状腐蚀坑，PT 和 AT 电解液中则形成致密层状界面膜。(e,f) 共聚焦显微镜与接触角测试：PT 电解液中镁表面更疏水（接触角 73.7°），表明界面膜具有保护性。
图3：界面膜形成机制与成分分析。(a) 镁片在 PT 电解液中浸泡后表面变暗，SEM 显示致密层状结构。(b) 浸泡后的镁片在 PEG 电解液中组装电池，过电位显著降低，表明镁片浸泡后即在镁片表面原位成膜。(c-g) XPS 分析：PT 电解液中镁表面出现 C–F 峰，表明形成氟化界面；N 含量低，说明TFSI-分解受抑制，我们认为硝酸盐才是导致镁片在Mg(TFSI)2/PEG电解液中产生钝化的主要原因。
图4：溶质-溶剂相互作用的理论与模拟。(a)19F NMR：PT 电解液中TFSI-的 F 原子电子云密度增加，表明 TMP与TFSI-强关联。(b) 结合能计算：TMP-TFSI-结合能低于 PEG-TFSI-。(c-i) DFT与AIMD 模拟：TMP-TFSI- 在镁表面吸附能更高，分解更少；PEG-TFSI-易完全分解形成硝酸盐，导致钝化。(j) 示意图：PT 电解液中形成氟化保护膜，PEG中形成腐蚀性钝化层。
图5：全电池性能。(a, b) V2O5||Mg 全电池：循环 100 圈后容量 66.9 mAh g-1，库仑效率 106.2%。(c, d) XRD 与 SEM/EDS：证实 Mg2+ 可逆嵌入 V2O5 晶格。(e, f) PTO||Mg 全电池：初始容量 380 mAh g-1，循环后保持 138 mAh g-1，放电平台 1.25 V。
【结论】
我们成功开发了一种基于共溶剂电解液体系的水系镁电池，实现了高度可逆的镁沉积/溶出行为，其核心机理在于镁负极表面原位形成的保护性氟化界面层。该界面由CxFy、CxNy、MgxNy、MgxFy和MgxSy等组分构成，其形成得益于TMP溶剂引入的“溶质–溶剂双重工程”效应。具体而言，TMP与TFSI-之间的强相互作用有效抑制了阴离子的过度分解，从而避免了导致镁负极钝化的关键物质——硝酸盐的生成。通过将这一界面保护策略与高电压、高容量的PTO正极相结合，所构建的水系镁电池在0.05 A g-1的电流密度与0.1-2.2 V电压窗口内，展现出高达1.25 V的放电平台和138 mAh g-1的可逆比容量。本研究不仅证实了镁负极在水系电解液体系中的可行性，还系统揭示了镁表面保护界面的形成过程与作用机制。我们的工作为实现高能量密度可充电水系镁电池奠定了关键基础，为其走向实际应用提供了重要支持。更为广泛的意义在于，“溶质-溶剂双重工程”策略为调控界面化学、稳定水系电解液中的高活性金属负极提供了可推广的研究范式，未来有望进一步指导锌、钙、铝等多价金属电池体系的电解液设计。
【文献链接】
Zhang Shuxin*, Ren Ruotong, Du Weimin. Solute-Solvent Dual Engineering Enables the Fluorinated Interface of the Mg Anode for Sustainable Aqueous Magnesium Batteries[J]. ACS Sustainable Chem. Eng., 2025. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.5c11225
【通讯作者介绍】
张树鑫博士：2025年博士毕业于上海交通大学，师从努丽燕娜研究员，现任职于安阳师范学院化学化工学院。自2018年起，持续专注于镁电池领域的基础理论与应用研究，主要研究方向涵盖电解液添加剂设计、电极材料开发及理论模拟计算。迄今以第一作者身份在Nano Energy, Small, ACS Sustainable Chem. Eng., Chem. Commun.等国际期刊发表研究型论文7篇。
内容来源：科学电池网
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