镁离子电池（MIBs）相较于锂离子电池（LIBs）具有两大主要优势：更高的理论体积存储能力以及降低了与枝晶相关的火灾风险。 在能量密度方面，相关报道显示 MIBs 约为 32.731 GJ m⁻³，而 LIBs 约为 22.569 GJ m⁻³。此外，镁金属负极的沉积通常比锂更均匀，从而减少了可能导致内部短路和热失控的针状枝晶生长；然而，必须通过精细的电极制备，才能评估这些理论优势是否能转化为实际的电池性能。
MIBs 在单位体积内可存储更多的电荷或能量，并可能提供一个更安全的金属负极平台，但除非在测试过程中严格控制电极密度、厚度、孔隙率、界面接触和电解质兼容性，否则这些优势很容易被高估。
为什么镁具有更高的体积容量
二价离子的优势
镁形成 Mg²⁺ 离子，而锂形成 Li⁺ 离子。因此，一个镁原子可以参与双电子电化学反应，从而提供极高的单位体积理论电荷容量。
一个常被引用的对比是：镁金属约为 3,833 mAh cm⁻³，而锂金属约为 2,046 mAh cm⁻³。这是体积电荷容量的比较，而非完整电池可用能量的直接测量。
体积能量是一个独立的指标
主要参考资料报告的理论体积能量密度为：MIBs 为 32.731 GJ m⁻³，LIBs 为 22.569 GJ m⁻³。由于 GJ m⁻³ 衡量的是能量密度，这些数值不应等同于以 mAh cm⁻³ 表示的电荷容量值。
实际的能量优势取决于容量和工作电压。虽然 MIBs 在单位体积内存储的电荷更多，但其较低的正极工作电压可能会降低最终的电池级能量密度。
为什么该优势很重要
更高的体积容量在空间受限的应用场景中尤为重要，例如紧凑型电子设备、固定式模块和车辆电池组。只要正极、电解质、隔膜、集流体和非活性封装材料不抵消其理论增益，它就有潜力在给定的电池体积内实现更多的电化学存储。
为什么镁金属可以提高安全性
降低枝晶短路风险
锂金属在反复的沉积和剥离过程中会形成 针状枝晶。如果枝晶刺穿隔膜，可能会导致内部短路并引发剧烈发热或火灾。
在适当的操作条件下，镁金属通常表现出 较少的枝晶沉积。这减少了一个关键的失效路径，是使用镁金属负极的核心安全优势。
安全效益并非绝对
抗枝晶能力并不意味着 MIB 本质上是防火的。电解质分解、腐蚀、密封不良、污染、过充和机械缺陷仍可能造成安全隐患。
许多有前景的镁电解质也对 空气和水分敏感或具有腐蚀性，特别是含卤素的体系。因此，安全运行取决于整个电池的化学体系和结构，而不仅仅是镁电极本身。
为什么电极制备控制着评估结果
浆料混合决定材料均匀性
对于复合正极，活性物质、导电添加剂和粘合剂必须混合均匀。分散不良会导致局部区域出现电子导电性不足或电解质接触不均匀的问题。
即使潜在的镁正极化学性质良好，这些缺陷也可能表现为容量保持率差或极化过高。因此，精确的浆料混合是测量方法的一部分，而不仅仅是制造细节。
涂层控制厚度和电流分布
电极涂层应在整个集流体上保持一致的 质量负载、厚度和成分。厚度变化会改变局部电流密度，并可能导致样品之间的比较产生误导。
对于 谢弗勒相（Chevrel phases） 和镁硫复合材料等新型正极，均匀的涂层尤为重要，因为这些材料中缓慢的 Mg²⁺ 传输和界面反应本身就已经限制了性能。
压实影响密度和孔隙率
受控的辊压或压实可以改善颗粒与颗粒之间以及颗粒与集流体之间的接触。这降低了电子和界面电阻，并产生更具可重复性的电极结构。
然而，过度压实可能会破坏电解质渗透和离子传输所需的孔隙。目标不是最大密度，而是 体积利用率、机械接触和离子可及性 之间的受控平衡。
电极厚度改变表观结果
较厚的电极可能表现出较低的利用率，因为 Mg²⁺ 离子必须在固体和充满电解质的孔隙中移动更远的距离。较薄的电极在动力学上可能表现更好，但提供的关于实际体积能量密度的证据较少。
因此，研究人员应报告电极厚度、活性物质负载量、密度、孔隙率（如适用）以及压实条件。如果没有这些细节，容量和倍率性能的比较将难以解读。
电池测试必须区分的内容
材料限制与组装限制
低容量可能源于多种不同原因：
- Mg²⁺ 在正极中的扩散缓慢。
- 电极界面的电解质钝化。
- 高电子或离子电阻。
- 涂层均匀性差。
- 过度压实。
- 电解质润湿不足。
- 集流体或电池组件的腐蚀。
准备良好的参比电极和受控的组装有助于将内在化学性质与制造相关的失效区分开来。
界面电阻尤为重要
由于电解质组分与电极反应或形成钝化膜，MIBs 可能会产生电阻性界面。如果电极接触不一致，测得的电阻可能反映的是机械组装情况，而非电化学行为。
均匀的压实和稳定的堆叠压力有助于建立可重复的界面。这就是为什么在 MIB 评估过程中，受控的电池密封以及适当的手套箱兼容压实或封装设备非常有价值的原因。
电解质必须与电极一同评估
镁正极不能脱离其电解质独立评价。电解质必须支持镁离子传输、避免钝化、提供足够的电化学稳定窗口，并限制对集流体和电池硬件的腐蚀。
非亲核电解质体系和谢弗勒相正极是解决这些兼容性挑战的方法示例，但具体的化学体系必须经过实验验证。
理解权衡
更高的体积容量不保证更高的实际能量
镁的理论优势基于活性物质的特性。实际的电池级能量密度还包括正极电压、非活性组件、电解质质量、隔膜厚度、集流体和封装。
较低的工作电压可能会抵消镁部分体积容量的优势。比较完整电池需要一致的电压范围、电极负载和电池设计。
安全改进与处理挑战并存
镁负极降低了与锂枝晶相关的特定风险，但许多 MIB 电解质要求严格的湿度控制。腐蚀性的电解质组分也可能限制集流体、外壳和组装工具的选择。
因此，MIBs 在枝晶短路方面可能更安全，但在实验室中处理和组装的要求更高。
压实可以改善一种性能但损害另一种
更大的压实通常能改善接触并降低界面电阻。然而，如果它过度减少了孔隙体积，则会阻碍电解质渗透和 Mg²⁺ 传输。
因此，压实压力、保压时间、温度和最终厚度应作为实验变量进行处理并记录，而不是随意选择。
小型实验室电池可能会夸大性能
较低的活性物质负载和过量的电解质可能会产生良好的容量或电阻结果，但这并不能转化为实际电池的性能。相反，密封不良或压力不均匀可能会使有前景的化学体系看起来无效。
评估应说明其目标是 基础电化学筛选 还是 实际体积性能评估，因为合适的电极设计各不相同。
为您的目标做出正确的选择
电极制备应围绕实验旨在回答的问题进行设计。
- 如果您的主要重点是理论体积容量： 使用准确测量的活性物质负载、受控的电极密度和厚度，并清楚区分 mAh cm⁻³ 的电荷容量与 GJ m⁻³ 或 Wh L⁻¹ 的能量密度。
- 如果您的主要重点是安全性： 在受控条件下评估镁的沉积和剥离，同时评估电解质的易燃性、湿度敏感性、腐蚀性、密封性和热行为。
- 如果您的主要重点是正极化学： 保持浆料成分、涂层厚度、压实条件、电解质体积和电池压力的一致性，以便差异反映的是正极本身而非制造差异。
- 如果您的主要重点是实际电池设计： 避免过度压实，使用真实的电极负载，并在计算电池级体积能量密度时包含非活性组件。
通过严谨的电极制备和明确定义的性能指标，研究人员可以确定镁的理论优势能否在从材料概念到功能性电池的转化中得以保留。
总结表：
| 方面 | MIBs（镁离子电池） | LIBs（锂离子电池） |
|---|---|---|
| 体积能量密度（理论值） | ~32.731 GJ m⁻³ | ~22.569 GJ m⁻³ |
| 体积电荷容量（金属负极） | ~3,833 mAh cm⁻³ | ~2,046 mAh cm⁻³ |
| 枝晶风险 | 较低（沉积更均匀） | 较高（针状枝晶） |
| 除枝晶外的安全隐患 | 电解质敏感性/腐蚀性 | 热失控 |
| 实际能量密度依赖性 | 较低的正极电压可能会抵消优势 | 电压较高但体积容量较低 |
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