Strategies of Designing High-Efficiency Electrolyte Additives for Aqueous Magnesium Batteries: A Review

Yulong Wu*, Darya Snihirova*, Yibing Zhang, Xiaohui Zeng*, Wen Xu, Linqian Wang, Daniel Höche, Sviatlana V. Lamaka, Mikhail L. Zheludkevich

Nano-Micro Letters (2027)19: 1

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02299-1

本文亮点

1. 系统总结了水系镁-空气电池电解液添加剂，为未来尤其是二元添加剂体系的机器学习筛选提供结构化数据。

2. 强调氧还原反应诱导的氧腐蚀对镁阳极利用率的显著影响，尤其是在含添加剂电解液中的高纯镁阳极。

3. 提出二元添加剂的清晰设计理念，使添加剂组合由经验尝试走向理性设计，并为高性能混合添加剂开发提供指导。

研究背景

金属-空气电池因水系电解液具有本征安全、低成本、环境友好和高离子电导率等特点，被视为下一代储能体系的重要候选。镁在多种候选金属阳极中表现出较为均衡的综合性能；其中，水系镁-空气电池凭借原料丰富、成本低、相对标准氢电极为−2.37 V的高度负氧化还原电位以及6.8 kWh kg⁻¹的高理论比能量而受到广泛关注。

内容简介

亥姆霍兹海岸研究中心Yulong Wu、Darya Snihirova和Xiaohui Zeng等对水系镁电池电解液添加剂进行了系统综述。水系镁-空气电池具有绿色、安全和可持续的优势，但严重自放电和放电产物积累会显著降低镁阳极利用率和电池电压。文章归纳了不同类型添加剂对镁基阳极放电机制的调控规律，并提出高效混合添加剂的设计策略。作者特别讨论了利用结构化数据库、主动学习与机器人高通量工作流加速先进添加剂发现的前景，为从经验配方走向数据驱动的理性设计提供了路线图。

图文导读

I 水系镁电池添加剂的挑战与评价维度

综述首先以雷达图建立材料选择的宏观坐标。图1分别将Mg与Li、Na、Zn和Al在离子半径、电负性、地壳丰度、理论比能、体积/质量容量、密度及氧化还原电位上进行对照，显示镁并非在某一项指标上绝对领先，却在资源、能量和安全性之间具有突出的平衡。

图1. Mg与Li、Na、Zn和Al等金属阳极的关键参数比较。

图2将水系镁电池从Volta时代的原始电堆、1887年的镁一次电池、二战通信应用和水下装备，一路串联至可充水系镁电池、微合金化、绿色有机添加剂、二元添加剂和机器学习。时间线说明，电解液添加剂已从辅助配方发展为决定性能与应用边界的核心变量。

图2. 水系镁电池的发展里程碑。

镁阳极一进入水系电解液，便同时承担放电与自腐蚀两种命运。图3a以反应路径说明其根源，图3b进一步把这种无效消耗转化为可感知的性能差距：实际阳极利用率、工作电压和比能均明显低于理论上限。

这一问题在可植入场景中尤为具体。图3c、d展示了两类可植入一次镁电池的结构，而图3e、f记录了器件在动物体内或模拟体液中的逐步降解过程。由此可见，添加剂设计不应只追求瞬时放电性能，还必须把可控降解与生物安全纳入同一评价框架。

图3. 自放电机制、性能损失及可植入镁电池的降解挑战。

II 材料、电解液与界面反应的耦合调控

图4将高纯Mg-Ge阳极制备、摩擦搅拌加工带来的组织调控，以及谷氨酸添加剂下的比能、功率密度和工作电压联系起来。它说明高性能并非单一添加剂的独立贡献，而是阳极材料、组织结构与电解液化学之间的协同结果。

图4. 阳极制备、组织调控及谷氨酸添加剂促进的性能提升。

图5把添加剂的市场价格、毒性和比能放到同一评价框架中。对于面向规模化或生物相关场景的水系镁电池而言，真正有价值的添加剂必须同时兼顾能量输出、成本与环境健康属性。

图5. 不同电解液添加剂的价格、毒性和比能比较。

图6通过Mg-4Ag的截面/EDS和局部溶解氧分布表明，氧还原会在镁表面形成空间不均匀的腐蚀环境。由此可见，添加剂不仅要抑制析氢，还要控制氧腐蚀及其诱发的局部失效。

图6. Mg-4Ag在NaCl电解液中的截面、元素分布与局部氧浓度。

III 单一添加剂的作用机制与局限

图7以机制图概括了空白电解液、Mg²⁺络合剂、pH型缓蚀剂/表面活性剂、pH缓冲剂和2,6-DHB体系中的差异。各类添加剂分别影响放电产物、析氢、界面清洁度和离子迁移，因此单一组分通常难以同时实现高电压与高利用率。

图7. 不同添加剂体系下镁阳极的放电机制。

图8把放电曲线、阻抗谱和实时析氢测试放在一起，说明2,6-DHB能够在抑制寄生析氢与避免过厚高阻产物层之间取得较优平衡。这种兼顾电压与利用率的调控思路是后续混合添加剂设计的重要基础。

图8. 2,6-DHB等添加剂下的放电、阻抗和析氢行为。

围绕“电量究竟损失到哪里”这一问题，图9给出了跨尺度追踪。不同pH以及充氧、脱氧条件下的对比表明，氧还原对腐蚀贡献的改变会重塑阳极消耗；原位微探针随后捕捉到表面附近的溶解氧分布。

更直观的证据来自图中的同步辐射断层成像：放电后阳极内部仍残留块状镁。这些彼此关联的现象共同说明，添加剂若只针对析氢或单一沉积层，仍难避免真实可用镁被困在失活区域。

图9. 氧腐蚀、局部溶解氧与块状残留镁的多尺度证据。

IV 混合添加剂的协同设计与性能验证

图10汇集乙酸、5-磺基水杨酸盐、PSS/RGO等代表性体系，显示不同组分可分别调节Mg²⁺络合、放电产物沉积和界面活化。图中的电压、利用率和比容量对比也提醒我们，改善某一指标往往会牺牲另一指标，因而需要理性组合。

图10. 多种混合添加剂体系的放电性能比较。

真正的协同并不是把两种添加剂简单相加。图11从放电曲线开始，依次给出平均电压、阳极利用率、比能和功率密度的整体比较；这些指标共同指向一个结论：优选二元体系能使电压和材料利用率同步改善。

截面形貌则提供了性能提升的物理解释。不同组分分别处理析氢、氧腐蚀、块状残留与放电产物堆积，因而在阳极表面形成更有利于持续工作的反应环境。

图11. 二元添加剂体系的放电性能、能量输出与形貌证据。

图12采用长时放电、质量损失、阳极外观和利用率等指标，对空白、单添加剂、二元添加剂及除氧条件进行交叉验证。结果表明，只有把电化学输出与实际阳极消耗共同考察，才能可靠评价添加剂的真实价值。

图12. 不同电解液条件下的放电、质量损失、形貌和阳极利用率。

V 数据驱动的电解液添加剂发现

在图13所示的主动学习闭环中，实验种子数据先经SOAP表征，再输入KPCovR模型预测未测试候选物的电压和利用率；随后通过Pareto多目标筛选选出值得实验验证的分子，并把新结果回写数据库。该流程为近乎无限的混合添加剂组合空间提供了可操作的加速搜索方案。

图13. 面向电解液添加剂发现的主动学习与实验验证闭环。

VI 总结

综上，水系镁电池添加剂的核心任务是协调工作电压、阳极利用率、比能、成本和安全性。单一添加剂很难同时抑制析氢、氧腐蚀、块状残留和放电产物堆积；二元或多元体系通过功能互补，为高性能电解液提供了更现实的设计路径。

未来应建立可复用的结构化数据库，并将机理认识、高通量实验、机器人平台与主动学习模型结合，推动添加剂配方由经验探索转向可预测、可验证的理性发现。

作者简介

Yulong Wu

本文通讯作者

亥姆霍兹海岸研究中心 博士研究生

▍主要研究领域

水系镁-空气电池、电解液添加剂、镁阳极界面、腐蚀电化学与原位表征。

▍主要研究成果

亥姆霍兹海岸研究中心表面科学研究所电化学与大数据团队博士研究生，从事镁基能源与防护材料研究。其工作聚焦镁阳极的自腐蚀、放电产物与界面失活机制，并将局部电化学、阻抗谱、同步辐射断层成像等方法用于电解液添加剂和金属阳极的协同优化。

▍Email：yulong.wu@hereon.de

Darya Snihirova

本文通讯作者

亥姆霍兹海岸研究中心 研究员

▍主要研究领域

镁及镁合金腐蚀、局部电化学、金属表面保护、数据驱动电化学。

▍主要研究成果

亥姆霍兹海岸研究中心表面科学研究所电化学与大数据团队研究员，长期围绕金属在复杂电解液中的腐蚀与界面反应开展研究。尤其关注局部腐蚀过程的空间非均匀性及其与表面膜、电解液化学之间的关系，为本研究中氧腐蚀和添加剂机制的解析提供了重要专长。

▍Email：darya.snihirova@hereon.de

Xiaohui Zeng

本文通讯作者

亥姆霍兹海岸研究中心 洪堡博士后研究员

▍主要研究领域

水系可充电电池、镁金属阳极、固体电解质界面与电解液界面化学。

▍主要研究成果

亥姆霍兹海岸研究中心表面科学研究所电化学与大数据团队洪堡博士后研究员，曾在澳大利亚卧龙岗大学完成博士训练，并在瑞典马尔默从事研究工作。聚焦水系储能体系中金属阳极与电解液界面的稳定化，研究兴趣涵盖可充电电池、镁金属阳极和固体电解质界面。

▍Email：xiaohui.zeng@hereon.de

撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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