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原位AFM揭示镁硫电池负极/电解质界面奥秘：微观结构与性能关联

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球对清洁能源和可持续发展的关注度不断提高，高效、安全、低成本的储能技术成为了研究的焦点。在众多储能技术中，电池储能因其能量密度高、响应速度快、可灵活部署等优点，在电动汽车、智能电网、便携式电子设备等领域展现出了巨大的应用潜力。

镁硫电池作为一种新兴的电池体系，以其独特的优势吸引了广泛的研究兴趣。镁元素在地壳中储量丰富，约占地壳质量的2.3%，是地球上第八丰富的元素，这使得镁硫电池的原材料来源广泛且成本低廉，相较于锂资源的稀缺性，具有显著的成本优势。此外，镁硫电池具有较高的理论能量密度，其理论比容量可达1672mAh/g，理论能量密度高达2600Wh/kg，远高于目前商业化的锂离子电池，这使得镁硫电池在大规模储能和高能量密度需求的应用场景中具有广阔的应用前景，有望成为下一代储能技术的有力候选者。

然而，镁硫电池在实际应用中仍面临诸多挑战，其中负极/电解质界面问题是制约其性能提升和商业化应用的关键因素之一。负极/电解质界面的不稳定会导致副反应的发生，消耗活性物质，降低电池的库伦效率和循环寿命；同时，界面电阻的增加会影响电池的充放电速率，降低电池的倍率性能；此外，镁枝晶的生长还可能穿透隔膜，引发电池短路，严重威胁电池的安全性能。因此，深入研究镁硫电池负极/电解质界面问题，揭示其内在机制，寻找有效的解决方案，对于提升镁硫电池的性能，推动其商业化应用具有重要的理论意义和实际价值。

原位原子力显微镜（AFM）技术作为一种高分辨率的表面分析技术，能够在纳米尺度下实时观察样品表面的微观结构和力学性质变化，为研究镁硫电池负极/电解质界面问题提供了有力的手段。通过原位AFM技术，可以直接观察镁负极在充放电过程中的表面形貌演变、镁枝晶的生长过程以及界面膜的形成和演化等，深入探究界面反应的机理，为优化电池结构和性能提供科学依据。因此，开展镁硫电池负极/电解质界面的原位AFM研究具有重要的科学意义和应用价值。

1.2镁硫电池概述

镁硫电池主要由镁负极、硫正极和电解质组成。其工作原理基于镁离子在正负极之间的可逆嵌入和脱出，以及硫与镁离子之间的电化学反应。在放电过程中，镁负极发生氧化反应，失去电子并释放出镁离子（Mg-2e^-\rightarrowMg^{2+}），电子通过外电路流向正极，为负载提供电能；同时，镁离子通过电解质迁移到正极，与硫发生还原反应，生成硫化镁（xMg^{2+}+S+2xe^-\rightarrowMg_xS）。充电过程则是放电过程的逆反应，硫化镁在正极发生氧化反应，释放出镁离子和电子，镁离子通过电解质迁移回负极，重新沉积为镁金属。

镁硫电池的能量转化机制是基于氧化还原反应，将化学能转化为电能。在这个过程中，电极材料的结构和组成会发生变化，电解质的离子传输性能也会对电池的性能产生重要影响。

1.3负极/电解质界面问题

镁硫电池负极/电解质界面存在诸多问题，严重影响电池性能。由于镁金属化学性质活泼，与电解质之间存在较强的化学反应活性，导致界面不稳定。在充放电过程中，镁负极表面会发生一系列副反应，如镁与电解质中的溶剂分子发生反应，生成不溶性的镁化合物，这些化合物会在负极表面逐渐积累，形成一层致密的钝化膜，阻碍镁离子的传输，增加界面电阻，导致电池极化加剧，充放电效率降低。

在充电过程中，镁离子在负极表面的沉积不均匀，容易形成镁枝晶。镁枝晶的生长会导致电极表面积增加，进一步加剧副反应的发生；同时，镁枝晶还可能穿透隔膜，造成电池内部短路，引发安全事故。此外，镁枝晶的生长还会导致电极结构的破坏，降低电池的循环寿命。

这些负极/电解质界面问题相互关联，共同制约着镁硫电池的性能提升。解决这些问题对于提高镁硫电池的循环稳定性、倍率性能和安全性能具有重要意义。

1.4原位AFM技术简介

1.4.1技术原理

原子力显微镜（AFM）的基本原理是利用一个对力非常敏感的微悬臂，其一端固定，另一端带有一个微小的探针。当探针与样品表面原子间的距离足够近时，会产生相互作用力，如范德华力、静电力、磁力等。这种相互作用力会使微悬臂发生微小的弯曲或振动，通过检测微悬臂的弯曲或振动情况，就可以获得样品表面原子间的相互作用力信息，进而通过计算机处理转化为样品表面的形貌图像。

原位AFM则是在样品处于实际工作环境或特定实验条件下进行实时监测。在镁硫电池研究中，原位AFM可以将电池组装在特殊设计的样品池中，使电池在充放电过程中，探针能够实时检测镁负极表面的微观结构变化，从而实现对负极/电解质界面动态过程的原位观察。

1.4.2在电池研究中的应用优势

与其他表征技术相比，原位AFM