我校程伟丽教授团队在高比能镁空气电池领域取得重要进展并入选ESI高被引论文

镁空气电池具有高理论放电电压(3.1 V)和能量密度(6.8 kWh/kg)，且结构简单、成本低廉、安全性高等优点，被认为是最具发展潜力的新一代高能量密度储能设备。然而放电产物的黏附效应和迟滞的阳极反应动力学以及负差效应诱发严重的阳极析氢和自腐蚀是制约镁空气电池广泛应用的瓶颈问题。

图1 论文页面截图

因此，如何有效解决能量转换效率和能量密度间的掣肘是实现新型高比能镁阳极材料开发的关键问题之一。在这一背景下，程伟丽教授团队提出通过设计异质结构镁阳极材料实现反应活性可控，为解决上述问题提供了新的思路。相关成果以论文“Role of micro-Ca/In alloying in tailoring the microstructural characteristics and discharge performance of dilute Mg-Bi-Sn-based alloys as anodes for Mg-air batteries” 发表在国际冶金工程领域顶级期刊《Journal of Magnesium and Alloys》（中科院一区TOP期刊，2024影响因子：15.8）上。论文第一署名单位为太原理工大学，程伟丽教授为通讯作者，合作单位为中北大学和河北工业大学。该论文同时入选ESI高被引论文。

图2 Mg-Bi-Sn-Ca/In 阳极材料的微观组织结构

研究团队基于元素电负性和原子尺寸匹配准则，设计了异质结构Mg-Bi-Sn-Ca/In阳极材料，实现了能量密度和比容量的协同提升。Ca/In微合金化后，挤压态Mg-Bi-Sn基合金的晶粒尺寸和织构强度明显减小，形成了典型的双尺寸晶粒组织。值得注意的是，除了纳米级的Mg₃Bi₂相外，Ca合金化后形成了细小的Mg₂Bi₂Ca相（图2）。

图3 Mg-Bi-Sn-Ca/In 阳极材料的放电产物特性与放电性能

Ca/In微合金化可以提高电化学活性并效地抑制其阴极析氢动力学，导致其自腐蚀速率较低。Ca/In微合金化大大减弱了放电产物薄膜的致密性，削弱了“块效应”，在改性后的镁阳极材料活化和钝化的协同作用下，从而实现了放电电压、阳极效率和比容量的同步提升。

异质结构镁合金阳极材料设计理念的提出，可以有效协调镁阳极材料放电反应动力学和析氢动力学以及基体有效溶解和产物膜致密度间的矛盾。基于新型镁阳极材料的开发对促进高比能镁空气电池的设计和制造具有重要的科学意义和工程价值。

该工作得到了国家自然科学基金项目（51901153）、山西省自然科学基金（202103021224049）、山西省留学基金（2019032）、山西省重大科技专项（20191102008、20191102007）等项目的资助。

论文连接：https://doi.org/10.1016/j.jma.2022.06.002