采用金屬鎂作為負極的可充電鎂電池具有資源豐富、理論比能量高、無鋰枝晶生長、安全性好、價格低廉等潛在的優點。然而，由于二價Mg2+的極性較大、Mg2+嵌入到正極材料中的動力學緩慢等問題，嚴重制約了鎂電池的實際性能。到目前為止，在鎂電池中只有少數的金屬/合金型或離子嵌入型負極材料表現出合適的放電容量和循環穩定性。

 

       為了改善鎂電池電極材料的綜合性能，必需對其原子結構和表界面進行優化設計。電極材料中的晶格缺陷，例如氧空位，對于過渡金屬氧化物的物理和化學性質有很大影響。電極材料中的氧空位可以促進電子和離子的傳輸，有效提高電池的電化學性能。

 

       南京大學金鐘教授和馬晶教授團隊密切合作，提出了一種新的原子取代方法，以超薄TiS2納米片為前驅體來合成含有豐富氧空位（OVs）的超薄、多孔、黑色TiO2-x (B-TiO2-x)納米片，用于鎂電池負極材料。實驗結果和DFT理論計算均證實，B-TiO2-x電極材料中存在的大量OVs能夠顯著提高材料的導電性和提供大量的鎂離子存儲位點，并表現出了較快的電化學反應動力學和優異的比容量和循環穩定性。該工作證明利用缺陷工程策略可以有效改善鎂電池電極材料的整體電化學性能。

 

       這一成果以“Atomic Substitution Enabled Synthesis of Vacancy-Rich Two-Dimensional Black TiO2-x Nanoflakes for High-Performance Regeable Magnesium Batteries”為題發表在ACS Nano 2018, 12, 12492-12502上。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省杰出青年基金、江蘇省雙創人才計劃等項目的資助。

圖1. B-TiO2-x超薄納米片的合成示意圖、形貌和儲鎂性能。

圖2. DFT理論計算結果證實B-TiO2-x超薄納米片的氧空位有利于鎂離子存儲。