三氟乙酰胺添加剂调控溶剂化结构及界面吸附实现宽温域析氢抑制的水系镁空气电池

针对水系镁空气电池(AMABs)存在的不可控镁腐蚀析氢(HER)和块体效应(chunk effect)问题，中国科学院团队通过引入三氟乙酰胺(TFA)添加剂实现双重溶剂化-界面调控。研究表明，TFA通过重构Mg2+ 初级溶剂化鞘(取代活性H2 O)、削弱氢键网络(HBNs)，并在镁表面形成腐蚀抑制性固体电解质界面(SEI)，使HER速率降低57%，实现70.6%的阳极利用率及145.61小时超长循环寿命，同时创下1.84V的纯镁体系最高放电电压纪录。该研究为多价金属空气电池电解质设计提供了原子级见解。

　　

镁金属凭借-2.37V(vs.SHE)的低标准电极电位和6800mWh·g^-1
的理论能量密度，被视为极具前景的电池负极材料。其固有的金属内聚力和不同晶面间的高活化能可协同抑制电化学沉积过程中的枝晶生长，使得镁金属电池相比锂金属电池具有显著的安全优势。然而，水系镁空气电池(AMABs)在实际应用中面临严峻挑战：镁阳极在水性电解质中会发生寄生析氢反应(HER)和块体效应，导致电池膨胀和容量快速衰减。这些问题源于镁与水的腐蚀反应(Mg+2H₂
O→H₂
↑+Mg(OH)₂
)以及微电偶腐蚀引起的局部溶解不均。

为攻克这些难题，中国研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表研究，创新性地采用工业常用化合物三氟乙酰胺(TFA)作为电解质添加剂。通过理论模拟与实验相结合的方法，发现TFA能同时调控溶剂化结构和金属界面：其酰胺基团(-CONH-)可取代[Mg(H₂
O)₆
]²⁺
溶剂化鞘中的活性水分子，降低自由水活度；还能在镁表面化学吸附形成保护性SEI层。这种双重作用机制使HER速率降低57%，阳极利用率提升至70.6%，电池寿命延长2.3倍达145.61小时(10mA·cm^-2
)，并实现纯镁体系创纪录的1.84V放电电压和2271.19mWh·g^-1
的功率密度。

关键技术包括：电化学阻抗谱分析溶剂化结构重组、扫描电镜观察Mg剥离形貌、密度泛函理论计算吸附能、线性扫描伏安法测定HER抑制效果，以及-20°C至50°C宽温域性能测试。

【Properties of electrolytes】
通过核磁共振和拉曼光谱证实TFA成功进入Mg²⁺
初级溶剂化鞘，取代配位水分子。分子动力学模拟显示TFA使氢键网络强度降低42%，显著抑制水活性。

【Conclusion】
研究证实TFA通过"溶剂化鞘重构-界面保护"协同机制：①电子富集的酰胺基团优先吸附在Mg(002)晶面，引导平面剥离；②形成的F-richSEI层具有3.7倍于对照组的电荷转移阻抗，有效阻断腐蚀；③在极端温度下保持稳定的离子电导率(50°C时仍达12.3mS·cm^-1
)。

该研究突破传统"高浓度电解质"或"界面涂层"的单一策略局限，为多价金属电池开发提供了新型分子设计范式。TFA的低成本(<$5/g)和生物相容性更凸显其产业化潜力，特别适用于极端环境下的储能系统。未来可拓展至锌、铝等金属空气电池体系，推动可持续能源存储技术发展。