背景介绍

镁空气电池具有高理论体积能量密度、低成本、环境污染小等优势，有望成为新一代储能系统。近年来，通过对反应机理的深入研究和电池材料的不断优化，镁空气电池的研究取得了丰硕的成果。然而，镁空气电池面临的一个关键挑战是镁负极的利用效率有限。因此，需要对镁负极材料进行改进设计，以实现高性能的可充电镁空气电池。本文深入了解了可充电镁空气电池的主要发展，从材料设计的角度对镁空气电池进行了全面分析，并重点关注了负极自腐蚀、负差分效应和氧还原反应中的竞争催化途径等关键问题。回顾了一系列典型的负极材料，并为未来高性能镁空气电池的设计和制造提出了几种有前途的改进策略。通过对微观结构控制策略的深入概述，为高性能镁空气电池的开发提供了有价值的参考。

文章简介

近日，东北大学罗绍华教授课题组对镁空气电池负极材料的发展现状进行了概述，特别关注从微观结构的角度解决负极材料的腐蚀问题。本文以“Preparation, microstructure and corrosion resistance of novel anode materials based on magnesium-air batteries”为题发表在期刊Green Energy & Environment上。

图文解读

大多数关于镁空气电池的研究都集中在水系电解液上，在镁表面上易形成包含MgO/Mg(OH)₂的钝化层。该钝化层具有低机械强度并经历动态剥离。虽然这个过程保持了电极/电解质界面活性，但它会导致镁基材的持续暴露，从而触发析氢腐蚀（HER）。这种现象会引发负差异效应（NDE），其特征是在增强的阳极极化下，析氢速率异常增加，导致阳极效率显著降低。目前的研究表明，NDE源于两种相互竞争的析氢途径：（1）钝化层裂纹内局部活性位点的镁直接溶解，伴随着相邻区域的氢还原和氢生成；以及（2）钝化层表面水的直接电化学还原。Mg⁺中间体假说认为，镁优先经历单电子转移形成亚稳态Mg⁺，随后与水反应产生氢气。然而，由于缺乏直接的实验证据，Mg⁺的存在仍然存在争议。此外，H⁺富集机制将增强的HER活性归因于阳极极化引起的钝化层孔隙率的增加，MgO转化为Mg(OH)₂，伴随着体积收缩引起的应力开裂，促进了界面处的H⁺积累，从而加速了氢气的析出。HER和NDE显著影响镁空气电池的阳极效率，为了应对以上挑战，需要关注改进电极材料（图1）。

图1. 镁空气电池负极面临挑战和改性策略。

镁空气电池负极材料的研究通过构建具有纳米结构的镁负极，增加活性物质的比表面积来提升其电化学活性。更为常见的是将镁与其他元素制备成二元、三元甚至多元合金，以抑制析氢副反应，同时破坏钝化膜的稳定性，使其更易脱落并促进电极的活性溶解。在镁空气电池阳极设计中，合金成分设计与微观组织调控是关键。目前，合金化负极的研究已较为深入，本文分别对二元、三元以及多元镁合金负极的研究进展进行了总结。各类有效合金元素及其作用规律已得到系统性探索，多种合金元素间的协同效应有助于形成更稳定的晶相或界面，进而提升阳极综合性能（如图2所示）。然而，过度的元素掺杂可能损害材料的结构稳定性，并诱发钝化膜过度生长，阻碍阳极反应动力学。因此，精确调控合金元素组成对于实现最佳性能至关重要。相比之下，微合金化方法的研究则相对有限。

图2. 多元镁合金在镁空气电池中的应用。

当前，新型镁空气电池负极材料的开发主要依赖大量试错实验来筛选元素或优化配比，这一过程效率较低且耗时。机器学习技术的应用有望更精准地预测实验需求并主动提供优化方案，从而加速镁空气电池负极材料的研究进程（如图3所示）。此外，正极侧缓慢的氧还原反应（ORR）动力学需要高效催化剂来加速。近年来，成本相对较低且催化活性较高的过渡金属氧化物、含氮金属大环化合物及碳基材料受到广泛关注。未来研究应聚焦于负极微观结构调控、电解质优化以及机器学习等方法的结合，以进一步推动镁空气电池的发展（如图4所示）。本综述旨在为研究人员开发高性能镁空气电池负极材料提供有价值的参考和指导。

图3. 机器学习在镁电池中的应用。

图4. 镁空气电池的设计和优化方法。

总结与展望

鉴于镁合金负极材料在镁空气电池中显著的优势和广泛的应用前景，本综述以镁空气电池当前面临的挑战为出发点，重点总结了镁合金负极材料在镁空气电池中的研究进展和应用优势。基于对这些优势的认识，本文进一步深入综合地探讨了目前镁合金负极材料所面临的瓶颈，并提出了未来镁空气电池负极材料的重点发展方向，以实现高性能的镁空气电池。希望本文能够为镁空气电池负极材料领域的研究提供全面的参考，同时推动高性能镁空气电池的进一步发展。

原文链接

论文标题：Preparation, microstructure and corrosion resistance of novel anode materials based on magnesium-air batteries

第一作者：东北大学博士研究生孙琪

通讯作者：东北大学罗绍华教授

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https://doi.org/10.1016/j.gee.2025.05.006

课题组介绍

东北大学材料科学与工程学院罗绍华教授课题组主要致力于能源转换与存储（锂/钠/钾/镁离子电池、金属空气电池、超级电容器）关键材料，医用材料，冶金行业大宗固态废弃物综合利用的研究。

课题组招聘

宁静致远，自强不息。脚踏实地，追求卓越。欢迎有材料科学与工程、冶金工程、物理、化学背景的同学报考课题组博士研究生、硕士研究生。

撰稿：原文作者

编辑：GEE编辑部