异质晶粒结构新型Mg-Ge-Zn-Zr镁空气电池阳极的协同电压与能量密度提升机制

本文推荐一种通过低温挤压制备的异质晶粒结构Mg-0.1Ge-0.1Zn-0.1Zr阳极，其通过精细调控残余应变分布，协同提升镁空气电池放电电压（1.443 V）和能量密度（1903.7 mWh g?1）。研究揭示了细晶区（FEGs）增强电化学活性、粗晶区（CEGs）抑制析氢反应（HER）的机制，为突破镁阳极负差效应（NDE）和块体效应（CE）提供新策略。

　　

Highlight

异质结构镁阳极的协同优势

图5对比显示，Mg-0.1Ge-0.1Zn-0.1Zr阳极在10 mA cm^?2下同时实现高电压（1.443 V）和能量密度（1903.7 mWh g^?1），显著优于文献报道的均质结构阳极。这种"双高"特性归因于：细晶区（3.20 μm）的高残余应变促进Mg²⁺快速溶出，而粗晶区（7.05 μm）的GeO₂/ZnO腐蚀产物层抑制HER。

Discussion

应变分布与溶解机制的关联

残余应变梯度分布诱导了"自缓冲效应"：高应变区（细晶）优先溶解形成活性通道，低应变区（粗晶）通过Zr掺杂提高析氢过电位。这种动态平衡使阳极利用率达68.2%，较传统阳极提升30%以上。有趣的是，Ge元素表现出类似As的阴极毒化效应，将HER电流密度降低至0.17 mA cm^?2。

Conclusions

1. 1.

   异质晶粒设计创造了"高活性-耐腐蚀"微区耦合，突破镁阳极"电压-效率"权衡困境

2. 2.

   低温挤压工艺实现残余应变梯度分布，细晶区（局部应变>1.2）贡献80%放电容量

3. 3.

   Ge/Zn/Zr三元协同使腐蚀产物层阻抗提升2个数量级，块体效应（CE）发生率降低62%

CRediT作者贡献声明

杨洪：实验设计/论文撰写；程伟丽：课题指导/资金支持；穆英洲：电化学测试；张全福：残余应变分析；王立飞：显微表征。

利益冲突声明

作者声明无经济利益冲突。

致谢

感谢国家自然科学基金（52375370）和山西省重点研发计划（2023XDHZ09）资助。