基于镁金属的高自然丰度、低成本、高安全性以及高容量等优势，镁金属电池成为继锂离子电池之后具有良好发展前景的候选电池体系之一。回顾镁电池的研究与发展，镁电解质的研究取得了长足的进步，但镁离子正极材料的开发仍存在重大挑战。过渡金属硫族化合物被认为是实现镁电池高能量密度的重要转化型储镁正极材料，但普遍存在较低的初始库伦效率和快速的容量衰减等问题。另外，这些材料中的储镁机制尚未明确，也为更多高能储镁正极的筛选带来了困难。
近期，青岛能源所崔光磊研究员带领的固态能源系统技术中心与青岛科技大学等单位合作，以Cu2-xSe为模型材料，阐明其特殊的阴离子补偿机制。并对其进行改性，极大地提高其电化学性能。相关研究成果发表在Angewandte Chemie International Edition《德国应化》。
固态能源系统技术中心研究团队早期开发了大量铜硫化合物和铜硒化合物储镁正极材料（Adv. Funct. Mater., 2017, 1701718；Energy Storage Materials, 2020, 26, 23-31；Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 11477-11482），但对于其储镁机制的认识不足，容量衰减问题尚未解决。近期，该团队以Cu2-xSe为模型材料，充分阐明了铜硫化合物和铜硒化合物储镁正极材料中的特殊阴离子补偿机制。与先前被广泛报道的Cu2+—Cu+—Cu0分步置换反应机理不同，该工作证明了该类材料中普遍存在的两个放电平台分别对应于：Cu2-xSe与Cu2Se的转化反应，以及Cu2Se与Mg2+的置换反应。在Cu2-xSe与Cu2Se的转化反应过程中，可溶性多硒化物介导的Sen2-/Se2-阴离子氧化还原过程有利于正极侧的电荷存储，但是伴随而来的多硒化物溶解-穿梭会导致电池性能下降。因此，研究团队又通过在Cu2-xSe正极中引入Mo6S8，制备得到的嵌入-转化型复合正极能够有效固定正极侧的多硒化物，显著提高了电化学性能。具体而言，在100 mA g-1的电流密度下，可逆比容量从140 mA g-1提高到220 mA g-1，而且倍率性能和长循环稳定性也有大幅提升。这项工作为硫族转化型正极的研究提供了全新认识，对新型高能储镁正极的开发具有重要意义。
论文的共同第一作者是硕士研究生曲雪莲、博士后杜奥冰，通讯作者是崔光磊研究员和董杉木研究员以及青岛科技大学周新红教授。上述工作得到了国家自然科学基金、中国科学院战略先导项目、山东省重点研发计划等项目的支持与资助。（文/图 曲雪莲 杜奥冰 董杉木）
Xuelian Qu,# Aobing Du,# Tao Wang, Qingyu Kong, Guodong Chen, Zhonghua Zhang, Jingwen Zhao, Xin Liu, Xinhong Zhou,* Shanmu Dong,* Guanglei Cui*. Charge-Compensation in a Displacement Mg2+ Storage Cathode through Polyselenide-Mediated Anion Redox. Angewandte Chemie International Edition. DOI: org/10.1002/anie.202204423.
