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王春生教授今年第2篇Science：能量密度高達412和471Wh/kg的金屬電池

由于鎂和鈣的高地殼豐度和容量，可充電鎂和鈣金屬電池（RMBs和RCBs）是鋰離子電池（LIBs）的有前途的替代品。然而，它們受到緩慢的動力學和寄生反應的困擾。

為此，美國馬里蘭大學王春生教授、陸軍研究實驗室Oleg Borodin等人證明了Mg²⁺和Ca²⁺的溶劑化鞘中的多齒甲氧基乙胺螯合劑[-(CH₂OCH₂CH₂N)_n-] 能夠實現高度可逆的Mg和Ca負極以及Mg²⁺和Ca²⁺快速（脫）嵌入高壓層狀氧化物正極。

作者發現這些螯合劑對Mg²⁺的親和力比傳統醚溶劑高6~41倍，但富含螯合劑的溶劑化鞘通過重組繞過了能量上不利的去溶劑化過程，從而降低了過電位并消除了負極和正極的伴生副反應。

此外，電解液的溶劑化鞘重組可以通過改變螯合劑的介電常數和大小來調節。該成果是王春生教授本年度第2篇Science，且被選為Science封面文章。

圖1. 溶劑化鞘的重組

這種方法同時解決了二價金屬電池的兩個關鍵挑戰：負極的低可逆性和金屬氧化物正極的緩慢動力學，使RMBs和RCBs的能量密度與LIBs相當，從而實現了能量密度為分別為412和471 Wh kg^-1的可充電RMBs和RCBs。

該設計原理對一般二價金屬電池具有普適性，電解液重組可以通過引入異質供體原子和不太緊湊的結構來調整分子結構，以進一步增強動力學和可逆性從而匹配商業LIB的應用標準。

圖2. Mg²⁺和螯合劑在層狀氧化物中的嵌入

Solvation sheath reorganization enables divalent metal batteries with fast interfacial charge transfer kinetics, Science 2021. DOI: 10.1126/science.abg3954

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