综述：镁空气电池新型阳极材料的制备、微观结构与耐腐蚀性能

这篇综述系统探讨了镁空气电池（Mg-air）阳极材料的设计策略，聚焦于通过合金化（如Mg-Al-Zn、Mg-Li-X等）和微观结构调控（如纳米化、晶界工程）解决自腐蚀、负差效应（NDE）和钝化膜堆积等核心问题，为开发高能量密度（理论3833 mAh cm-3）、低成本（2800 US$/ton）的可持续能源存储技术提供理论指导。

　　

镁空气电池的挑战与机遇

镁空气电池凭借其高达3833 mAh cm^-3的理论体积容量和-2.37 V的标准电极电位，成为替代锂基电池的潜力候选。然而，镁阳极在电解液中易形成Mg(OH)₂钝化膜，伴随氢析出反应（HER）和负差效应（NDE），导致实际能量密度仅为理论值的一半。

阳极材料的设计策略

纯镁的局限与突破
高纯度镁（99.99%）虽能减少杂质引发的电偶腐蚀，但其阳极效率在0.5 mA cm^-2下仅34.4%。纳米结构设计（如海胆状Mg纳米颗粒）通过增加活性位点，将能量密度提升至565 Wh kg^-1，但无法完全抑制钝化问题。

二元合金的协同效应

• Mg-Al合金：Al的添加细化晶粒，三价Al³⁺提升电荷转移能力，Mg-8Al经热处理后放电容量达1003 mAh g^-1。
• Mg-Zn合金：Zn优化机械性能，0.5 wt.% Zn使Mg-0.5Zn腐蚀速率降低50%，但过量Zn会形成高阻抗Mg₂Sn相。
• Mg-Li合金：Li含量>10.3 wt.%时形成BCC结构β相，Mg-7Li-1Y在10 mA cm^-2下阳极效率达59%，但强度随Li增加而降低。

三元及多元合金的进阶优化

• Mg-Al-Zn系列：AZ91（Mg-9Al-1Zn）的放电容量为2256 mAh g^-1，但Mg₁₇Al₁₂脆性相易引发钝化膜破裂。
• Mg-Y-Zn体系：Y³⁺置换Mg(OH)₂中的Mg²⁺形成阳离子空位，Mg-0.5Y合金在10 mA cm^-2下能量密度达1899 mWh g^-1。
• 四元合金Mg-0.5Bi-0.5Ca-0.5Ag：动态再结晶（DRX）优化微观结构，阳极效率提升至56.42%，电压稳定性显著增强。

微观结构调控的关键作用

晶界工程和相分布直接影响腐蚀行为。例如，AZ61-1Nd-1Ca合金中均匀分布的第二相颗粒可将自腐蚀电流密度降低至84.7 μA cm^-2。而挤压比为25的Mg-3Al-0.4Ca-0.7Mn合金通过非基面晶粒取向促进均匀溶解，抑制“块状效应”。

未来展望

开发机器学习辅助的多元素协同设计（如Mg-La-Ca-Ge体系），结合原位表征技术解析钝化膜动态演变，是突破现有性能瓶颈的重要方向。此外，探索非水电解质（如Mg(ClO₄)₂）或可从根本上抑制HER，推动镁空气电池商业化进程。