隨著航空航天、深地勘探等極端環(huán)境領域對耐高溫特種電源需求的激增，鎂金屬電池因其高熔點（約650°C）、低枝晶傾向及高理論容量等優(yōu)勢備受關注。高溫下電解質的分解失控及負極界面副反應頻發(fā)，嚴重制約其實用化進程。近期，中國科學院研究團隊在高溫鎂電池電解質領域取得突破性進展，通過創(chuàng)新性分子設計與界面工程策略，成功開發(fā)出兼具耐高溫特性與界面穩(wěn)定性的新型聚合物電解質，為下一代高溫儲能技術提供了關鍵解決方案。
仿生策略重構界面層??
傳統(tǒng)鎂電池電解質在高溫下易與活潑的鎂金屬發(fā)生持續(xù)副反應，導致界面阻抗激增和容量衰減。受自然界“疏優(yōu)于堵”的啟發(fā)，研究團隊提出??原位構筑自適應界面層??的創(chuàng)新思路。通過引入含雙官能團的小分子交聯(lián)劑，對聚環(huán)氧氯丙烷（PECH）進行改性，在電解質內部生成大量季銨根官能團。這些官能團因其低還原穩(wěn)定性，優(yōu)先在鎂負極表面分解，形成富含Mg?N?的無機-有機復合固態(tài)電解質界面（SEI）。
該SEI層呈現(xiàn)梯度結構：外層以柔性有機物為主，可緩沖體積變化；內層富含高離子導率的Mg?N?，顯著降低鎂離子遷移活化能（較傳統(tǒng)MgO界面降低約40%）。實驗表明，這種“引導式分解”策略有效抑制了電解質持續(xù)消耗，將界面副反應速率降低至傳統(tǒng)體系的1/5以下。
寬溫域與高安全雙提升??
基于該電解質組裝的鎂金屬電池展現(xiàn)出卓越的高溫適應性：
??循環(huán)穩(wěn)定性??：在150°C高溫、2C倍率下，電池穩(wěn)定循環(huán)超過200次，容量保持率達80%，遠超現(xiàn)有高溫鎂；
??寬溫域運行??：電解質在30-180°C范圍內保持高效離子傳導（電導率＞1 mS/cm），突破傳統(tǒng)液態(tài)電解質50-120°C的工作極限；
??濫用安全性??：穿刺、過充等極端測試中，電池未發(fā)生熱失控；電解質還具備自修復能力，受損后經加熱可恢復90%以上力學性能。
分子設計與工藝創(chuàng)新??
研究團隊通過三大核心創(chuàng)新實現(xiàn)性能躍升：
??雙功能交聯(lián)劑設計??：交聯(lián)劑同時完成聚合物網絡構筑與季銨根引入，簡化制備流程；
??單離子導體特性??：季銨根通過錨定陰離子，將鎂離子遷移數提升至0.71（傳統(tǒng)電解質＜0.4），減少極化損耗；
??梯度SEI調控??：結合分子動力學模擬與原位表征，精確調控界面組分分布，實現(xiàn)離子傳輸與界面穩(wěn)定的平衡。
??產業(yè)化前景與挑戰(zhàn)??
此項研究為高溫鎂電池提供了可規(guī)?；a的電解質方案——原料成本較現(xiàn)有體系降低30%，且與卷對卷工藝兼容。潛在應用場景包括：地熱井監(jiān)測設備的自供電系統(tǒng)；航天器艙外設備儲能模塊；電動汽車高溫工況備用電源。
盡管取得突破，團隊指出仍需解決??長期循環(huán)界面演變機制??和??寬電壓窗口適配性??等挑戰(zhàn)。下一步將探索電解質-正極材料的協(xié)同優(yōu)化，目標在3年內實現(xiàn)150°C環(huán)境下1000次循環(huán)的工程化驗證。
中科院此項研究通過仿生界面工程策略，為高溫鎂電池的發(fā)展開辟了新路徑。其核心價值不僅在于性能參數的提升，更在于提供了一種“引導反應而非抑制反應”的哲學范式，這對鋰金屬電池、鈉硫電池等高溫儲能體系的開發(fā)具有普適性啟示。隨著極端環(huán)境應用需求的擴展，此類創(chuàng)新技術有望重塑特種電源產業(yè)格局，助力我國在高溫儲能領域保持國際領先地位。
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