综述：高性能镁离子电池材料的研究进展与未来展望

（编辑推荐）本综述系统探讨了镁离子电池(MIBs)作为锂离子电池(LIBs)替代方案的优势：理论容量达3833 mA h cm?3的Mg2+载体特性、无枝晶特性及地壳丰度。重点解析了过渡金属氧化物/硫化物阴极、新型电解质设计及溶胶-凝胶合成工艺的突破，同时指出Mg2+扩散动力学慢、电解液电压窗口窄等关键挑战，为下一代储能系统开发提供理论框架。

　　

Abstract

镁离子电池(MIBs)凭借其高达3833 mA h cm^?3的体积容量（远超锂的2046 mA h cm^?3）和?2.37 V vs SHE的低还原电位，成为替代锂离子电池(LIBs)的理想选择。其核心优势在于Mg²⁺沉积/溶解过程中不产生枝晶，且地壳丰度达2.9%，大幅降低原料成本。然而，强极化的Mg²⁺在固相中扩散缓慢，导致阴极材料开发成为主要瓶颈。

Introduction

全球能源转型背景下，传统LIBs受限于387 W h kg^?1的理论能量密度和钴/镍等稀缺元素依赖。MIBs采用二价Mg²⁺载流子，单电子转移即可实现双倍电荷存储，但现有阴极如Mo₆O₈、V₂O₅等普遍存在容量衰减快的问题。电解液方面，含氯格氏试剂虽能实现可逆沉积，但会腐蚀集流体。

Cell design and working principles

典型MIBs由镁金属阳极、含Mg²⁺电解液和插层型阴极构成（图1a）。充放电时，Mg²⁺在电极间穿梭：放电时从阳极溶出并嵌入阴极晶格，充电时则逆向迁移。关键突破在于开发非亲核性电解液，如[Mg₂(μ-Cl)₃·6THA]⁺配合物，可将电化学窗口拓宽至3.2 V。

Electrode materials

阴极材料中，层状TiS₂展现120 mA h g^?1的可逆容量，但循环50次后衰减40%；尖晶石型Mn₂O₄通过晶格膨胀缓解Mg²⁺嵌入应力，使倍率性能提升3倍。阳极材料方面，Mg₃Bi₂合金在0.5C下实现350 mA h g^?1的稳定容量，但体积膨胀率达18%。

Sol-gel synthesis

溶胶-凝胶法可制备纳米级MgMn₂O₄阴极，比表面积达150 m² g^?1。以镁异丙醇盐为前驱体，通过控制水解pH值获得粒径20 nm的产物，其Mg²⁺扩散系数提升至10^?12 cm² s^?1，较固相法提高2个数量级。

Current challenges

主要障碍包括：1）阴极材料中Mg²⁺扩散能垒>0.8 eV；2）电解液/集流体界面副反应导致阻抗增加；3）缺乏原位表征手段解析Mg²⁺嵌入动力学。

Conclusions

未来突破点在于：1）开发螯合型电解液抑制副反应；2）构建三维导电网络提升离子电导；3）利用机器学习筛选新型宿主材料。MIBs有望在电网储能领域率先实现商业化应用。