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镁科研

镁科研前沿动态：镁离子电池、骨科医学、压铸镁合金领域均有突破

发布时间：2023-01-11 作者：综合管理部
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济南大学徐锡金教授课题组：

水系镁离子电池ACS Nano


近年来，镁离子电池（MIB）被认为是一种高安全性、低成本的储能系统。镁的内在优势激发了这一潜力，包括高地球丰度(Mg为1.94 %，Li为0.002 %)、低成本和环保。在过去的几年里，可充电镁离子电池取得了很大的进展，但也存在一些问题。Mg2+的高电荷密度在宿主材料中具有很强的插入能垒，以及镁离子的插层作用，电极材料结构发生了严重的变化，导致其循环性较低。因此，设计新的电解质和电极材料已成为实现可充电镁离子电池性能提升的关键。
采用醚-水杂化电解液（TEGDME/H2O = 0.8:0.2）可以有效改善钒基正极材料（NaV8O20·nH2O，NVO）的动力学以及溶解问题。有机TEGDME组分可以与自由水配位降低其活性，杂化电解液具有约3.9 V 电化学稳定性窗口，并且杂化电解液的离子电导率达到2.65 mS cm−1。并且，TEGDME优先积累在界面，可以形成CEI层抑制钒物种的溶解。最终，NVO在0.3 A g−1下实现了351 mAhg−1的比容量，以及1000次循环的循环寿命。这一报道为钒基正极材料的应用，以及拓宽电解质的选择提供了新的思路。
济南大学徐锡金教授课题组与中国科学院深圳先进技术研究院/深圳理工大学（筹）韩翠平副研究员合作在ACS Nano上发表了题为“Ether−Water Hybrid Electrolyte Contributing to Excellent Mg Ion Storage in Layered Sodium Vanadate”的研究工作。该工作采用新型醚-水杂化电解液（TEGDME/H2O = 0.8:0.2）实现了钒酸钠（NaV8O20·nH2O，NVO）材料存储镁离子的快速动力学以及优良的稳定性。该醚-水杂化电解液可有效克服多价离子储存以及钒基材料在水溶液中易于溶解的困难。
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来源：镁途

醚-水杂化电解液结合了TEGDME电解质稳定性高和水的动力学快的优点；TEGDME组分有效地与自由水配合抑制其活性，从而确保杂化电解液具有约3.9V的宽电化学稳定性窗口；机理研究证实了Mg2+在NVO正极内的可逆插入，并在表面形成了稳定的CEI膜。

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镁及镁合金在骨科领域的应用

与研究进展

近年来，由于运动、外伤等原因导致的骨骼损伤发生率大大增加，骨科植入物的需求也随之提高。镁合金具有低密度、低弹性模量、可生物降解、高比强度、生物相容性好等优点，作为一种可降解植入器械的候选材料，在骨科、心血管等医学领域展现出极大的应用前景。相比于传统的钛及钛合金、惰性金属等植入物，镁合金的密度和弹性模量与人体骨组织更接近，可显著降低应力遮挡效应，有利于骨组织的愈合。此外，镁合金植入器械可以在受损骨组织完成修复后降解被人体吸收，同时释放出镁离子，有效促进骨组织再生修复，不需要二次手术取出，能够显著减少患者痛苦和治疗成本。因此，本文从多方面重点综述了镁合金作为新型生物可吸收金属材料在骨科中的应用。

最近，德国美因茨大学Ulirke Ritz教授课题组与四川大学华西医院刘明教授课题组综述了镁合金在骨科领域的应用与研究进展，其中重点介绍了镁合金的性能、制备、以及表面改性，指出了目前镁合金在骨科领域应用中还存在的问题和挑战，为镁合金在骨科领域的进一步临床应用提出了具体建议。

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表1 用于骨科植入物的镁合金力学性能

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表2 镁合金的腐蚀性能

来源：JMACCMg
镁合金不但具备良好的生物可降解性以及生物相容性，其降解产物还具备良好的骨诱导活性。此外，与传统的金属骨科植入物（如钛，钛合金，钴镍合金）相比，镁元素是构成骨组织的重要元素之一，维持骨组织的内部稳态平衡。如果骨组织中的镁离子含量降低，则会导致骨组织的机械性能大大减弱，同时引起骨组织脆性增加，进而导致骨折的出现。当体内摄入过量的镁时，镁离子可以通过循环和泌尿系统排出体外，并不会对身体造成明显伤害。同时，镁合金在体内降解产生的镁离子可以有效促进成骨、成血管以及骨免疫调控。在临床应用方面，镁合金目前已初步被应用于非负重骨的骨折治疗之中。随访结果发现，与传统的骨科金属植入物相比，镁合金金属植入物展现出了相似的临床治疗效果。但关于镁合金的长期临床应用效果仍需进一步的临床研究。

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高导热压铸镁合金孔洞形成机制

及其与力学性能定量关系的预测

大约90%的镁合金部件通过压铸工艺生产。优良的成型性是新型压铸镁合金成功应用的关键，低孔隙率是高品质铸件的一个重要指标。然而，孔洞在压铸过程中不可避免。气孔会导致铸件无法热处理和焊接，缩松容易造成应力集中降低力学性能。上海交通大学此前针对5G通讯结构件的需求，开发了一种高导热压铸镁合金EA42 (Mg-4Ce-2Al-0.5Mn, wt.%)，压铸状态下，其热导率可达110~120 W/(m·K)，且能兼顾140~150 MPa的屈服强度和8~12%的延伸率。然而在实际复杂、薄壁压铸结构件应用中，孔洞等缺陷显著影响其导热和力学性能，一定程度上限制了合金的大批量应用。因此，系统研究压铸EA42合金孔洞形成机制及分布规律，对优化合金压铸工艺参数，降低孔隙率，推动合金应用，具有重要工程价值。

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图1 EA42与AZ91D孔洞分布规律：(a) 压铸件取样位置示意图 (b-c) 近内浇口端（A）至远浇口端（C）孔隙率与孔洞三维分布

近期，上海交通大学曾小勤教授课题组李德江副研究员等人通过X射线计算机体层摄影技术（XCT）对比研究了EA42及AZ91D合金压铸件内部孔洞的分布规律，分析了其形成机制，探索出预测力学性能的更有效方法。研究结果表明，EA42合金近内浇口处孔隙率高，而AZ91D空间分布相对均匀，这主要是由于两种合金凝固特性不同：EA42合金凝固区间窄，增压奏效时间短，且液相线温度高，易提前凝固产生更发达的预结晶组织（ESCs）。沿垂直模具表面方向，AZ91D孔洞分布宽度约为1.8 mm，而EA42（~0.5 mm）更窄，缺陷带处孔隙率几乎为0，原因在于EA42合金缺陷带处含有发达的α-Mg+Al11Ce3共晶，相比AZ91D合金含有的Mg17Al12相，Al11Ce3相析出过程中释放大量潜热改善缺陷带处残余熔体的补缩能力，导致EA42合金缺陷带处孔洞较少。同时还发现，仅用断口表面的孔洞面积分数作为构建孔洞与力学性能关系的直接因素存在不合理性，忽略了裂纹扩展的空间特性，主裂纹扩展路径范围内的孔洞，都会直接影响力学性能。为此，探索出将沿主裂纹扩展路径范围所有X射线切片内孔洞总的面积分数作为构建孔洞与力学性能关系的直接因素，能有效预测压铸合金的力学性能。

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2022年第10卷第7期。
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