镁锶二元合金作为镁空气电池负极的电化学性能优化与放电机制研究

针对镁空气电池负极存在的严重自腐蚀和"块状效应"问题，研究人员通过熔铸法制备了Mg-xSr(x=0.1,0.5,1 wt%)二元合金负极材料。研究发现Mg-0.1Sr合金表现出最佳放电性能，阳极利用率(ηAE)达60.6%，比容量1336.3 mAh g?1，比能量1872.1 Wh kg?1。该研究为开发低成本、高性能镁空气电池提供了新思路。

　　

随着全球能源需求持续增长和环保意识提升，开发清洁高效的新型能源技术迫在眉睫。镁空气电池因其理论比能量高达6800 Wh kg^?1、电压3.1 V、资源丰富且环境友好等优势备受关注。然而，该技术面临三大瓶颈：放电产物覆盖导致的电压衰减、镁负极严重自腐蚀造成的利用率低下，以及未反应镁基体脱落引发的"块状效应"(Chunk Effect, CE)。传统解决方案多采用添加稀土元素或复杂加工工艺，但存在成本高、工艺繁琐等问题。

为解决这一难题，河南某高校研究团队创新性地选择化学性质与钙相似但电极电位更负(?2.89 V)的锶(Sr)作为合金元素，通过简单熔铸法制备了Mg-xSr(x=0.1,0.5,1 wt%)二元合金负极。研究发现Mg-0.1Sr合金展现出最优综合性能：阳极利用率(η_AE)达60.6%，比容量1336.3 mAh g^?1，比能量1872.1 Wh kg^?1，显著优于纯镁负极。该成果发表于《Journal of Energy Storage》，为开发低成本高性能镁空气电池提供了重要参考。

研究采用真空感应熔炼法制备合金样品，通过光学显微镜和扫描电镜(SEM)分析微观结构，电化学测试评估腐蚀行为，恒流放电测试考察电池性能，并结合氢析出实验定量分析自腐蚀速率。特别建立了η_{Self-corrosion}和η_CE的量化模型，系统解析了影响阳极效率的关键因素。

【微观结构分析】
Sr添加使镁基体晶粒尺寸从纯镁的463±62 μm细化至Mg-0.1Sr的367±77 μm，Mg-1Sr更达143±13 μm。第二相Mg₁₇Sr₂的分布形态随Sr含量变化显著：0.1 wt%时呈细小弥散分布，1 wt%时则形成粗大连续网状结构。

【电化学性能】
Mg-0.1Sr合金表现出最优异的电化学活性，开路电位(OCP)较纯镁负移约200 mV。电化学阻抗谱(EIS)显示其电荷转移电阻最低，证实Sr的适量添加能有效促进阳极溶解。但过量Sr(1 wt%)会因SrO/SrCO₃惰性膜的形成阻碍电解液接触，导致性能下降。

【放电性能】
在10 mA cm^?2电流密度下，Mg-0.1Sr合金的放电电压稳定在1.25 V，较纯镁提升15%。定量分析表明其η_{Self-corrosion}仅为18.3%，η_CE控制在21.1%，共同促成60.6%的高η_AE。而Mg-1Sr因第二相引发的电偶腐蚀使自腐蚀速率激增，η_AE降至43.2%。

【机理探讨】
适量Sr通过三重机制提升性能：(1)细化晶粒促进均匀溶解；(2)Mg₁₇Sr₂相作为微阴极加速阳极活化；(3)抑制氢析出反应(HER)。但过量Sr会导致第二相与基体形成腐蚀电偶，同时SrO/SrCO₃膜阻碍放电，产生负面效应。

该研究首次系统揭示了Sr含量对镁空气电池负极性能的影响规律，证实Mg-0.1Sr合金在成本和性能间达到最佳平衡。提出的"第二相尺寸效应"和"惰性膜阻隔效应"为合金设计提供了新视角。采用非贵金属元素和简单熔铸工艺的策略，对推动镁空气电池产业化具有重要实践意义，也为其他金属-空气电池的负极材料开发提供了借鉴。