随着化石燃料的枯竭和环境污染的加剧，开发可再生清洁能源对于全球可持续发展至关重要。镁空气电池因其具有吸引人的理论电压（3.10V）和能量密度（6800 Wh kg⁻¹）而被视为有前途的备用电源。此外，使用中性盐溶液作为电解质，使得镁空气电池更加环保，特别适合海洋设备的应用。作为电池系统中唯一的活性成分，镁阳极在决定镁空气电池的优异性能中起着关键作用，这归功于其负的标准电极电位（−2.37 V vs. 标准氢电极，SHE）以及大的法拉第容量（2.2 Ah g⁻¹）。然而，阳极表面积累的氧化产物（Mg(OH)₂）阻碍了放电过程中的活性溶解，导致电池电压随时间逐渐下降。此外，镁阳极还遭受严重的自腐蚀，其特征是在放电过程中氢气的演变和金属颗粒的脱落（块效应），这导致阳极效率和整体电池容量显著降低。因此，镁空气电池的实际性能远远落后于其理论预期。为了提高镁阳极的性能，设计镁合金是一种有效的策略，因为添加的合金元素可以促进氧化产物的脱落，并减轻电池放电过程中的自腐蚀。一系列元素，如Al、Zn、Ca、Mn、Bi、Ga、Ag、Sn、In和稀土元素，通常被选作修改镁阳极。在优化的合金成分基础上，利用塑性变形结合热处理来创建具有细小晶粒和低位错密度的微观结构，也是进一步提高镁阳极性能的可行方法。然而，塑性加工路线，如轧制和挤压，涉及复杂的程序并消耗大量的能源，因此是资源密集型技术。相比之下，针对铸态镁合金阳极的热处理改性提供了一个相对简单有效的替代方案，尽管在文献中没有得到广泛的探索或记录。Mg-Al-Sn系列合金是极具前景的镁阳极材料，其中Sn替代了Mg-Al-Pb阳极（如AP65）中使用的有毒Pb，使其更加环保。作为重要的第二相，Mg₂Sn在决定Mg-Al-Sn和其他含Sn镁阳极的性能中起着至关重要的作用。然而，直到最近，大多数关于Mg₂Sn相的研究都集中在铸态或塑性变形的镁阳极上，而Mg₂Sn的形态效应尚未得到充分阐明，主要是因为其形态变化有限或受到其他类型第二相的干扰。

在这项研究中，研究人员通过溶液时效处理精心设计了Mg-Al-Sn阳极中Mg₂Sn的形态，并系统地研究了其对Mg-Al-Sn阳极放电和腐蚀行为的影响。研究表明，在铸态样品中，大尺寸的Mg₂Sn相和富Sn的枝晶会降低耐腐蚀性，并阻碍放电过程中氧化产物的脱落，从而对阳极性能产生不利影响。相反，通过溶液处理诱导的Mg₂Sn和枝晶的溶解显著抑制了自腐蚀，并提高了阳极效率和电池容量。此外，通过时效处理产生的细小分散的Mg₂Sn相显著加速了放电过程中氧化产物的脱落，从而提高了镁空气电池的电压。研究人员进一步从微观电偶效应和腐蚀表面分析的角度揭示了Mg₂Sn相形态影响的详细机制。

图5  溶液处理样品的表面膜和放电期间氧化产物的高分辨率XPS分析。(a), (d) Mg 2p；(b), (e) Al 2p；(c), (f) Sn 3d。顶部的光谱来自浸泡在OCP中12小时的样品，而底部的光谱是在10mA cm⁻²放电10分钟期间获得的。 

通过溶液时效处理精心设计Mg-Al-Sn阳极中Mg₂Sn相的形态，研究人员深入研究了其对阳极电化学腐蚀行为的影响。研究发现，在铸态样品中，大尺寸的Mg₂Sn相和富Sn的枝晶产生了显著的微观电偶效应，从而在开路电位下损害了耐腐蚀性，并在放电过程中导致严重的侧向氢气演变和块效应。这种微观结构特征不能加速阳极表面氧化产物的脱落，从而降低了镁空气电池的放电电压。400°C下24小时的溶液处理有利于Mg₂Sn相的溶解，并提高了α-Mg基体的组成均匀性。因此，由于微观电偶效应的减弱，阳极在电池放电前后的自腐蚀得到了有效抑制。此外，溶液处理的样品在放电过程中均匀溶解，并促进了氧化产物的脱落，这得益于Al₂O₃和SnO₂的再沉积，从而提高了电池电压。240°C下24小时的时效处理导致在晶粒内和沿晶界沉淀出细小分散的Mg₂Sn相。这种独特的微观结构产生了比铸态样品更弱的微观电偶效应，但比溶液处理阳极观察到的效应稍强。因此，时效处理的样品在开路电位下的耐腐蚀性和放电过程中的阳极效率（和容量）介于铸态和溶液处理样品之间。此外，时效处理阳极中的细小分散Mg₂Sn相，特别是晶界处的Mg₂Sn相的溶解和脱落，可以显著加速放电过程中氧化产物的脱落。这导致了与使用铸态和溶液处理样品相比，镁空气电池中更高的放电电压。