可再生木材生物炭作为稳定镁金属阳极的离子传导保护层

本文创新性地利用竹炭（BCs）构建镁离子（Mg2+）传导保护层，解决了镁金属阳极在常规有机电解液中易钝化的难题。通过对比苹果木炭（ACs），研究发现BCs凭借丰富的官能团、高无序度和大层间距（d002>0.37 nm），展现出卓越的Mg2+传导性。采用压力渗透法制备的3D-BCs/Mg复合阳极，在Mg(TFSI)2/乙腈电解液中实现低过电位（~0.27 V）和长循环稳定性，为设计无钝化碱金属电池阳极提供了新思路。

　　

Highlight

本研究首次证实竹炭（BCs）可作为高效的Mg²⁺传导界面层，其独特的结构特性（如羧基/羟基官能团、0.38 nm超大层间距）显著提升了离子电导率（σ_i/σ_e比值优化）。通过熔融镁压力渗透技术，成功构建了具有连续离子通道的3D-BCs/Mg复合阳极，同步解决了传统镁阳极的钝化问题和合金阳极的体积膨胀缺陷。

Multi-scale characterization of the HCs

高分辨透射电镜（HRTEM）分析显示，BCs的乱层结构（turbostratic stacking）和纳米级孔隙形成了"离子高速公路"。X射线光电子能谱（XPS）证实其表面含氧官能团（C=O, C-O）可作为Mg²⁺吸附位点，而拉曼光谱（ID/IG=1.02）揭示了高缺陷密度对离子传输的促进作用。

Conclusions

BCs/Mg复合阳极在对称电池中展现出媲美锂电的极化电压（<50 mV），全电池测试中库伦效率（CE）达99.3%。这种"仿生保护层"设计为开发耐氧化电解液兼容的碱金属电池提供了普适性策略，特别适用于电网级储能场景。

CRediT authorship contribution statement

王琳与孙凯共同完成实验设计与论文撰写，杨梅负责数据分析，魏增艳参与方法优化，杨文淑指导研究方向，张强完成表征测试，苟华松进行可视化处理，武高辉教授负责终稿审阅。

Declaration of competing interest

作者声明无利益冲突

Acknowledgments

感谢国家重点研发计划（2024YFA1209800）和国家自然科学基金（51601047）资助