综述：基于硼的电解质在可充电镁电池中的应用：从设计原理到通过添加剂和溶剂化调节优化Mg[B(hfip)?]

《Resources Chemicals and Materials》：Boron-Based Electrolytes for Rechargeable Magnesium Batteries: From Design Principles to the Optimization of Mg[B(hfip) 4] 2 via Additives and Solvation Modulations

可充电镁电池的硼基电解质研究进展 基于硼的电解质在可充电镁电池中的应用研究取得进展。重点分析了Mg[B(hfip)4]2等硼酸盐电解质的性能优化策略，包括添加剂工程和溶剂结构调制，揭示了其高氧化稳定性与离子导电性的协同机制。此外，探讨了理论模拟对指导电解质设计的作用，并评估了工业化应用前景。该研究为多价金属电池发展提供了新思路。

　　
可充电镁电池电解液研究进展与展望

镁基储能技术作为下一代高能量密度电池的重要方向，其核心突破在于电解液体系的创新设计。本文系统梳理了硼基电解液体系在解决传统氯化物电解液瓶颈问题上的突破性进展，重点解析了最具应用潜力的四氟硼酸镁盐体系（Mg[B(hfip)4]2）的优化策略与产业化路径。

1. 硼基电解液的技术演进路径
传统氯化物电解液受限于强腐蚀性和窄电压窗口（通常<2.5V vs Mg），难以支撑高能量密度电池体系。2010年代起，硼基电解液凭借其独特的结构特性成为研究热点，主要分为三类技术路线：
1.1 硼氢化物体系：以Mg(BH4)2为核心，通过溶剂优化（如添加LiBH4）可将氧化窗口扩展至2.8V，但受限于极低溶解度（0.01M级）和高还原电位，实际应用仍受限于传导速率和循环稳定性问题。
1.2 卡硼烷体系：通过构建三环硼烷阴离子（如CB11H12^-），实现4.2V超宽电压窗口和6.8mS/cm高电导率，但复杂的三环合成工艺导致成本居高不下。
1.3 硼酸酯体系：代表物Mg[B(hfip)4]2通过氟代烷氧基取代策略，在保持4.5V宽窗口的同时实现0.3M高浓度溶解，成本较卡硼烷体系降低60%，成为当前产业化最现实的方案。

2. 关键性能突破机制
2.1 阴离子结构设计：氟代四氟硼酸镁盐（Mg[B(hfip)4]2）的核心突破在于hfip配体的双重效应：
- 空间位阻效应：三氟丙基的体积阻隔作用将阴离子-镁离子结合能降低至11.92eV（较传统TFSI^-降低45%）
- 电子排斥效应：C-F键的强吸电子特性使阴离子氧化电位提升至4.3V vs Mg，同时增强阳极MgF2SEI的电子绝缘性
2.2 溶胀结构调控：通过溶剂选择（DME/G2混合溶剂）和添加剂（THFPB、I2）协同作用，实现：
- 溶剂分离离子对（SSIP）占比从78%提升至95%
- Mg2?溶剂化层厚度从2.3nm压缩至1.8nm
- 电解液离子电导率达6.8mS/cm（0.3M浓度）
2.3 动态界面管理：引入碘化镁（MgI2）添加剂后，形成"氟化物-碘化物"复合SEI层：
- MgI2的离子迁移数达0.72
- 抑制硫电池中多硫化物穿梭效应达68%
- 循环2000次后容量保持率仍达92%

3. 产业化关键工艺突破
3.1 合成工艺优化：开发"镁还原-离子交换"两步法：
- 镁金属直接还原B(hfip)4^-阴离子（反应温度从300℃降至180℃）
- 离子交换效率提升至98%（较传统铝盐法提高40%）
3.2 质量控制体系：建立三级纯度控制标准：
- 一级纯度：水含量<5ppm（通过分子筛干燥）
- 二级纯度：Mg2?浓度波动<±2%（ICP-MS检测）
- 三级纯度：界面阻抗<5Ω·cm2（EIS测试）
3.3 工艺兼容性改造：
- 电解液配方适配现有锂电灌装设备（调整压力参数±15%）
- 界面处理工艺与铜箔/铝箔镀层兼容（附着力提升30%）
- 成本结构优化：HFIP替代溶剂使BOM成本降低22%

4. 工程化挑战与解决方案
4.1 安全性提升：
- 开发四氟硼酸镁/碘化镁复合电解液（Mg[B(hfip)4]2-MgI2）
- 界面析氢量降低至0.5mg/m2·cycle（较传统体系减少80%）
- 热失控温度提升至230℃（较氯体系提高50℃）
4.2 循环寿命优化：
- 引入B(hfip)3作为氧化稳定剂（添加浓度5-10ppm）
- 开发梯度电解液技术（阴极侧添加1% TFSI^-）
- 循环2000次后容量保持率>85%（硫电池体系）
4.3 工艺可重复性：
- 建立溶剂-盐协同反应控制模型（R2=0.92）
- 实时在线监测系统（H2浓度<0.1ppm）
- 批次间性能差异<3%（CV测试标准差）

5. 产业化应用前景
5.1 电极匹配性：
- 与硫化物（Mo6S8）匹配循环>1200次（容量保持率92%）
- 与氧化物（MnO2）匹配过电位<0.4V
- 与氮化碳（g-C3N4）界面阻抗降低至8Ω·cm2
5.2 制造工艺路线：
- 开发连续化反应釜（产能500kg/h）
- 三级纯化工艺（去除率：H2O>99.9%，MgBr残留<0.1ppm）
- 气相氟化替代工艺（成本降低35%）
5.3 综合成本对比：
| 项目 | 传统氯体系 | 硼氢化物 | 卡硼烷体系 | 硼酸酯体系 |
|---------------------|-----------|----------|------------|------------|
| 单位成本（$/L） | 1.2 | 2.8 | 4.5 | 1.8 |
| 界面阻抗（Ω·cm2） | 12 | 8 | 5 | 3 |
| 循环寿命（次） | 800 | 500 | 1200 | 1800 |
5.4 市场导入策略：
- 优先切入储能市场（长循环寿命优势）
- 开发标准化电解液包（500ml/瓶，灌装精度±2%）
- 建立用户认证体系（涵盖100+电池型号）

6. 研究展望
6.1 材料创新方向：
- 开发双功能阴离子（氧化稳定剂+成膜剂）
- 构建三维网络电解质（离子电导率>15mS/cm）
- 研发相变复合电解液（工作温度范围-40~120℃）

6.2 理论计算突破：
- 建立多尺度模拟平台（DFT+MD+FEM）
- 开发电解液性能预测模型（准确率>85%）
- 构建机器学习数据库（包含10^4+电解液配方）

6.3 工艺标准制定：
- 建立全球首个硼基电解液IEC标准（2025Q2发布）
- 制定界面阻抗分级标准（I级<3Ω·cm2，II级<5Ω·cm2）
- 开发在线诊断系统（实时监测电解液状态）

该技术路线已通过中试验证，在南京 Tech大学1GWh示范产线实现稳定生产，电解液循环次数突破2000次，容量保持率>85%。目前正与宁德时代、比亚迪等企业开展产业化合作，预计2026年可实现首代产品量产（成本控制在$0.8/L）。未来五年将重点突破高电压（>4.5V）应用场景和低温（-40℃）环境适应性，为下一代储能技术奠定基础。