镁金属因出色的体积容量和高自然丰度等特性而备受关注，镁金属电池也因此被认为是“后锂电池”时代最具应用潜力的二次电池。然而，不均匀的镁沉积和备受争议的镁枝晶生长导致了较低的库仑效率和潜在的安全问题，阻碍了镁金属电池的发展。此外，金属镁箔的低效利用限制了电池能量密度的提升，并且不利于电池的柔性化。近年来，梯度结构设计在调控电场分布、离子通量和内部孔结构等方面展现出了巨大的优势，然而梯度特性的实现往往依赖于复杂的表面修饰，制约了电池的批量生产和实际应用。针对以上问题，bat365官网登录入口黄维院士团队艾伟教授课题组利用可工业化生产的造纸工艺制备了具有三梯度特性的柔性纸基主体材料，实现了镁金属在主体材料内的自下而上沉积，并且首次构筑了柔性纸基镁金属电池（Adv. Mater. 2023, DOI: 10.1002/adma.202309339）。
三梯度主体材料的制备及结构示意图
通过调控主体材料各层级中羧基化多壁碳纳米管与针叶木纤维的比例，实现了电导率、亲镁性和孔径在垂直方向上的梯度分布。同时，低成本的针叶木纤维和羧基化多壁碳纳米管以及可批量化生产的造纸工艺为柔性电极的实际生产和应用奠定了基础。
梯度主体材料内自下而上的沉积过程和电化学性能
三梯度结构设计的优点在于：底层的高电导率、亲镁性和小孔径特征可以均匀镁离子通量，诱导镁金属优先形核/沉积；顶层的绝缘性、疏镁性和大孔径特征可以促进镁离子快速传输，抑制“顶部生长”；中间过渡层则可以避免因顶层与底层梯度差异过大而造成的金属分层。以上特性所诱导的自下而上沉积行为显著提升了梯度主体材料的镁沉积/剥离可逆性。
柔性软包电池机械性能和电化学性能
为探究该梯度主体材料的实际应用价值，该工作同时利用造纸工艺制备了纸基Mo6S8正极，并组装得到了柔性纸基镁金属电池，其表现出优异的耐弯曲特性和电化学稳定性，为未来高性能柔性金属电池的发展提供了借鉴。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202309339
（文字：毕经煊；审核：王学文）
