一次电池可实现化学能到电能的高效转化，在通讯设备、工业仪表、医疗器械、国防军事等重大领域具有广阔的应用前景。锂/亚硫酰氯电池作为一次电池领域的重要分支，具有优异的电化学性能（放电比容量约2,300 mAh g^-1），然而其大规模应用仍受到诸多限制。例如，高度活泼的锂金属使该电池体系存在安全隐患，显著提高了电池制备和回收的复杂性；此外，锂元素的低地壳丰度（0.0017%）极大制约了锂/亚硫酰氯一次电池的规模化应用。同时，基于单电子氧化还原反应的锂/亚硫酰氯一次电池的能量密度仍需进一步提高，以充分满足各类应用的续航需求。因此，基于多价金属开发低成本、可回收和高性能的新型亚硫酰氯电池具有重要的科学和应用价值。

图1. 镁/亚硫酰氯一次电池的基本组成和性能特点。

鉴于此，孙浩团队及合作者通过电极反应和电解液组分的协同调控，首次实现了镁/亚硫酰氯一次电池（图1）。该电池表现出高达14,000 mAh g^-1的放电比容量、1.67 V的理想放电电压，以及较高的搁置性能。电池在使用后可以通过简便的处理对正负极片进行回收及循环利用，显著提升了电池的经济效益和环境友好性。该镁/亚硫酰氯一次电池具有低成本、高性能、可持续等特点，为发展新型一次电池提供了全新思路。

图2. 镁/亚硫酰氯一次电池的电化学性能和电解液拉曼表征。

研究团队深入探究了不同电解液组分对镁/亚硫酰氯一次电池的放电性能的影响。当氯化铝浓度为4 M（即HC-A-SOCl₂电解液），电池表现出较低的放电比容量和平台；当降低氯化铝浓度至2 M（即A-SOCl₂电解液），电池的放电容量和放电平台显著提升；而当进一步加入氯化镁后（即HC-A-SOCl₂电解液），电池表现出最佳的放电比容量和电池搁置性能（图2a-b）；拉曼光谱结果显示，镁离子与亚硫酰氯之间的相互作用引起了拉曼峰的偏移，可以有效降低亚硫酰氯的反应活性，从而抑制电解液对负极的腐蚀（图2c）；在正极材料方面，科琴黑与乙炔黑和天然鳞片石墨相比，表现出较为理想的电化学性能（图2d）。优化后的镁/亚硫酰氯一次电池表现出优异的倍率性能，可以在2 A/g正常放电（图2e）；与已报道的镁金属一次电池相比，镁/亚硫酰氯一次电池在放电容量和电压平台上均具备显著优势（图2f）。

图3. 镁/亚硫酰氯一次电池的正极反应研究。

通过对镁/亚硫酰氯一次电池的放电过程和机制进行深入探究，阐明了不同放电深度的正极片进行形貌演变过程：随着放电深度增加，放电产物逐渐生长于碳材料表面，并最终完全覆盖正极。能谱分析显示放电产物主要包括氯化镁和硫（图3）。

图4. 镁/亚硫酰氯一次电池的正极放电产物成分和分布研究。

通过X射线光电子能谱和X射线衍射对放电后的正极进行表征，进一步证明了氯化镁为放电产物的主要成分（图4a-c）。利用飞行时间-二次离子质谱分析了放电产物在正极上的深度分布，结果显示氯化镁主要生成在碳球的外部，而硫通过亚硫酰氯扩散到碳材料孔隙内产生（图4d-f）。上述结论有望为电池性能的进一步提升提供关键的理论支撑。

图5. 镁/亚硫酰氯一次电池的低成本、可回收和可穿戴应用展示。

镁/亚硫酰氯电池展现出优异的成本优势、可回收性和应用潜力。例如，将镁金属负极更换为镁铝合金（AZ91D），可以进一步降低镁/亚硫酰氯一次电池的成本（图5a）。此外，通过简便的乙醇溶液处理即可对已服役的正负极片进行循环使用，回收后的电池仍展示出近90%的放电比容量（图5b-c）。与具有高度活泼的锂金属相比，镁金属的安全性更高，有望显著拓展电池的应用场景（图5d）。例如，镁/亚硫酰氯一次电池可以稳定安全的在水下为电子手表供电（图5e-f），以及为可穿戴发光二极管和智能眼镜供电（图5g-h）。

本工作通过电解液溶剂化和电极反应动力学的协同优化，首次实现了兼具低成本、高安全性、高能量密度的镁/亚硫酰氯一次电池，有望成为锂/亚硫酰氯一次电池的理想替代品。本工作对于镁/亚硫酰氯电化学体系的深入理解，有望为发展低成本、可持续、高性能的多价电池体系提供新思路。

孙浩团队的博士生徐秋晨，耿世涛，袁斌为本文共同第一作者，孙浩副教授为通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金委的资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202210343