探索新型低成本、高能量密度、高安全性的非鋰儲能電池是電池領域的研究熱點前沿。其中可充電鎂（Mg）、鈣（Ca）金屬電池的雙電子轉移會帶來更大的比容量，此外Mg和Ca金屬均具有低還原電位，并減少了金屬負極潛在的枝晶沉積等安全問題，被認為是鋰離子電池良好的替代品。然而由于緩慢的電荷動力學過程和更強的靜電相互作用，使得過電位增加、電解質分解以及二價金屬離子不可逆嵌入正極材料等問題，限制了二價金屬電池性能，上述問題亟需解決。
馬里蘭大學Chunsheng Wang教授課題組牽頭的聯合研究團隊利用甲氧基乙胺螯合劑來調控二價金屬離子的溶劑化結構，顯著改善了離子的動力學過程，實現快速電荷轉移，使得Mg2+、Ca2+能夠快速在層狀氧化物正極材料中嵌入和脫嵌，實現了高度可逆的離子嵌入和脫嵌，增強了電池性能和循環穩定性，以Mg和Ca為負極的電池均獲得了與鋰電池相當的比能量密度，分別為412 Wh/kg和471Wh/kg可逆放電比容量。為開發設計高性能低成本的非鋰可充電電池開辟了新技術路徑。相關研究表明，以Mg、Ca為代表的二價金屬電池廣泛存在可逆性不佳和電荷轉移動力學緩慢問題。為此研究人員在固態電池電解質中引入了甲氧基乙胺螯合劑[–(CH2OCH2CH2N)n–]，以增強導電離子的去溶劑化作用，旨在改善上述不利問題。研究人員首先將甲氧基乙胺螯合劑電解質、Mg金屬負極和氧化物層狀正極組裝成完整的電池器件，并開展了電化學性能測試。在2-3.3 V之間、0.5C倍率下（1C=200 mA/g），Mg金屬電池獲得了412 Wh/kg比容量，且可以穩定循環200余次，上述結果表明了電池具備良好的可逆性。為了探究電池性能改善的潛在機制，研究人員對電池進行了一系列的微觀表征，實驗顯示螯合劑引入后，通過溶劑化鞘重組繞過了能量不利的去溶劑化過程，極大地促進了電解質膜界面電荷轉移動力學，實現了Mg2+在層狀氧化物電極中的快速嵌入和脫嵌，并抑制了正極和金屬負極上的副反應，從而增強了電池性能和循環穩定性。而為了進一步探索該方法的普適性，研究人員又基于上述含有螯合劑的電解質制備了Ca金屬電池，同樣獲得了優異電化學性能，可逆比容量達到了471 Wh/kg。表明了上述方法的確具備良好的普適性，可以應用于其他金屬電池研究開發中。
圖1 引入螯合劑溶劑化鞘重組過程
該項研究通過在電解質中引入甲氧基乙胺螯合劑，實現了對二價金屬離子溶劑化過程的優化調控，顯著改善了電荷轉移動力學并實現了離子在層狀氧化物正極薄膜中可逆的嵌入和脫嵌，進而增強了鎂、鈣金屬電池放電比容量和循環穩定性，且實驗方法具備良好的普適性，為開發高性能低成本的非鋰儲能電池開辟了新技術路徑。相關研究成果發表在《Science》。
