二次电池已得到广泛应用，但目前广泛使用的锂离子电池因成本高昂和安全问题受到挑战，难以进一步大规模应用。后锂时代的概念已被提出以开展新型储能体系的研究。在多种电池中，镁电池由于其良好的经济效益，高的安全特性和优秀的理论体积容量（3833 mA h cm–3）得到了研究人员的广泛关注。然而纯镁金属负极面临严重的钝化问题阻碍了镁离子的可逆传输。利用替代合金型负极是一种有效的策略，可以绕过与纯镁金属负极相关的钝化问题。
近日，重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心袁媛教授团队设计制备了一种新型的石墨化无定型碳复合InSb合金负极材料，其特点是InSb以细小颗粒的形式分布在石墨化无定形碳基体中。依托这样的结构在细化合金颗粒的基础上，InSb表面的电子密度降低，以及石墨化的高导电性，缩短了离子/电子传输路径，提高了镁电池的动力学性能。用乙炔黑合成的InSb-10%C负极在50 mA g–1的条件下显示出了高达448 mA h g–1的高容量和出色的倍率性能（500 mA g–1时为168 mA h g–1）。此外，这种结构有利于传统电解液中阴离子基团的脱溶，进一步缓解了阴离子的分解造成的钝化现象。在匹配不同正极的全电池中，InSb-10%C负极与传统的无卤素盐醚基电解质具有良好的兼容性，在新型镁电池储能和转换领域具有巨大的应用潜力。
相关成果以“Unlocking the Power of Magnesium Batteries: Synergistic Effect of InSb-C Composites to Achieve Superior Electrochemical Performance”发表在知名期刊《Small》上。论文第一作者为硕士研究生彭先浩，通讯作者为袁媛教授，通讯单位为重庆大学。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202400967
图1. a) InSb-10%C的SEM图像和元素图谱（EDS）；b) HAADF-STEM 相应的 EDS 元素分布和 c) 含量d) InSb-10%C 的 TEM 图像；e,f) InSb-10%C 的 HRTEM 图像；g) SAED；h) 乙炔黑的 HRTEM 图像；i) InSb-5%C的HRTEM 图像、j) InSb-10%C, k) InSb-15%C 的 HRTEM 图像。
研究证实了 InSb合金、InSb-10%CNTs、InSb-10%rGO和InSb-x%C 的成功合成。与纯InSb 相比与纯InSb 相比，所有复合材料的粒度都有所减小。石墨化无定形碳将InSb 细化为更小的颗粒，使其更容易分散在石墨化无定形碳基体中，形成类似于细胞模型状的结构。在这项工作中，我们将这种结构命名为“细胞状石墨化无定形碳复合结构”（CGA结构）。
图2. a) In-10%C、Sb-10%C；(b) InSb；c) InSb-10%CNTs 和 InSb-10%rGO 的循环性能；d) InSb-10%CNTs 和 InSb-10%rGO 的倍率性能；e) InSb-x%C 在 50 mA g-1 下的首次放电曲线； f) InSb-10%C 在 50 mA g–1 下的电晕静态充放电曲线； g) InSb-10%C 在扫描速率为 0. 05 mV s–1 时的 CV 曲线；h) InSb-x%C 在 50 mA g–1 下的循环性能；i) InSb-x%C 的倍率性能。
图3. a) InSb-10%C 在扫描速率为 0.02~0. 08 mV 时的 CV 曲线；b) 根据 CV 曲线对峰值电流 ip 和扫描速率 υ1/2 之间关系的线性拟合；c) InSb 和InSb-10%C 阳极的 GITT 曲线和 d) 相应的镁离子扩散系数；e) GITT 曲线中红色方框的放大；f) InSb-x%C 的 EIS、拟合曲线和等效电路；g) 沃伯格系数；h) InSb 的EIS、拟合曲线和等效电路。
图4. 10 个循环后 InSb-10%C 阳极完全放电（a1-a2）和充电（b1-b2）的 HRTEM；10个循环后 InSb-10%rGO（c1-c2）和 InSb-10%CNTs （d1-d2）完全充电的 HRTEM。
为了进一步研究充放电过程中材料结构的演变，对不同的复合材料进行了充放电后的HRTEM 分析。放电后电极材料中存在Mg3Sb2、MgIn和InSb 的晶格平面。MgIn（101）的晶格平面清晰可见，进一步证明了In 参与了镁化反应。充电后，InSb-10%C中的InSb 并未完全脱镁，这与前装XRD 结果一致。分析了InSb相关区域和C相关区域的结构关系，循环后的弯曲晶格条纹，与石墨化无定形碳相对应。然而，在InSb-10%rGO 和InSb-10%CNTs 样品中却没有发现这种结构。InSb区域（具有已识别的晶格平面）在研究区域内较大且连续，且InSb区域周围没有明显的碳存在。因此，可以得出结论：石墨化无定形碳包裹InSb 的结构在循环过程中保留在材料中，稳定的CGA 结构确保了InSb-10%C 的稳定循环性能。
图5. a) 采用 InSb-10%C 负极的镁电池全电池示意图；b) Mo6S8 和 c) CuS 负极系统的全电池恒流充放电曲线； d) Mo6S8||Mg(TFSI)2||InSb-10%C(Mg)和CuS||Mg(TFSI)2||InSb-10%C(Mg)两种全电池的循环性能；e) 本研究与以往镁离子电池负极材料的速率性能和全电池性能比较。
研究表明，InSb-10%C负极与多种正极具有良好的兼容性。与CuS（转换型正极）相比，Mo6S8（插层型阴极）显示出更高的循环稳定性，与Mo6S8 相比，CuS 显示出相对较高的容量。从负极本身性能的角度来看，InSb-10%C的卓越速率性能与之前研究的In 基和Sb 基合金阳极相比具有广泛的竞争力。受益于动力学性能的提高，采用InSb-10%C 负极的全电池可在50 mA g–1 的电流密度下循环，而在最近的镁全电池研究中，InSb-10%C负极与不同阴极和传统无卤盐电解质具有良好的兼容性，这一点具有重要的实际意义。
通讯作者简介：
袁媛，重庆大学教授，博士生导师。主要从事材料热力学动力学，材料计算和设计，储能材料的热动力学行为和离子电池电极的设计等研究工作。先后在比利时意大利德国进行研究工作，是玛丽居里会员，获得国际镁科学与技术青年学者奖与中国有色金属学会一等奖，发表SCI论文一百余篇，国际国内邀请报告二十余次。
本文来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队大力支持。