【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】水系電池憑借其水基電解液的本征阻燃特性，在安全儲能領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛能。以鉛酸及鎳氫為代表的傳統(tǒng)水系電池雖已廣泛應(yīng)用于汽車啟動與民用器件，但其受限于極低的儲能密度。當(dāng)前，大規(guī)模儲能普遍采用以磷酸鐵鋰為正極的商用鋰離子電池，盡管其能量密度得到顯著躍升，但有機電解液的易燃屬性使其面臨嚴(yán)峻的安全隱患。因此，開發(fā)兼具高能量密度、長循環(huán)壽命及本征安全性的新型水系電池，已成為破解現(xiàn)代儲能技術(shù)瓶頸的重大前沿課題。
 

　　在眾多新型水系儲能體系的探索中，水系鎂離子電池憑借鎂(Mg)元素極高的地殼豐度(約2.9wt%)、低廉的成本以及Mg離子較小的離子半徑(0.72Å)，在維持晶格穩(wěn)定性的前提下展現(xiàn)出構(gòu)建高體積能量密度系統(tǒng)的巨大潛力。然而，其實際商業(yè)化進(jìn)程卻受制于嚴(yán)重的循環(huán)衰減與遠(yuǎn)低于理論值的實際能量密度。一方面，Mg離子極高的溶劑化能與強的電荷密度，導(dǎo)致其在電極中的脫溶劑化動力學(xué)緩慢；另一方面，Mg離子與水分子在電極材料中的共嵌入過程會誘發(fā)材料層間劇烈的體積膨脹，產(chǎn)生各向異性的局部應(yīng)變，進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)粉碎和容量迅速衰減。盡管研究者們對多種正極材料進(jìn)行了探索，但有效緩解離子嵌入導(dǎo)致的應(yīng)變積累、實現(xiàn)長壽命循環(huán)仍是領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵難題。
 

　　針對上述挑戰(zhàn)，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授團隊及北京化工大學(xué)段雪院士/邵明飛教授團隊合作提出了一種全新的“應(yīng)變離域化”策略開發(fā)新型高安全長循環(huán)(75,000次循環(huán))水系鎂離子儲能電池，通過在MoO3納米管陣列中引入鉭(Ta)摻雜，成功開發(fā)出高性能MoTaOx電極材料。研究發(fā)現(xiàn)，Ta原子的摻雜在終端氧位點附近引入了氧空位(VO)。這些VO不僅能有效吸附并解離層間H2O分子，形成“Ta–OH···OH2”物種，顯著降低了龐大的水合Mg離子的擴散動力學(xué)能壘，還通過促進(jìn)層間水分子的有序排布與解離，實現(xiàn)了對Mg2+/H2O共嵌入誘導(dǎo)的層間膨脹和內(nèi)部應(yīng)變的有效緩解。相關(guān)研究成果以“Aqueous magnesium-ion battery anode with 75,000 cycles lifespan”為題，發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)會志》。
 

　　該研究通過原位X射線衍射、原位紅外光譜及電化學(xué)石英晶體微天平等多種原位表征手段，以及大規(guī)模第一性原理分子動力學(xué)模擬，系統(tǒng)揭示了MoTaOx電極的儲能機理。結(jié)果表明，MoTaOx電極在循環(huán)過程中表現(xiàn)出極佳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。得益于優(yōu)化的離子傳輸通道與有效的應(yīng)變離域化能力，MoTaOx電極在0.15A g–1的電流密度下展現(xiàn)出300mAh g–1的高容量，并在75,000次循環(huán)后仍保持極高的電化學(xué)穩(wěn)定性，實現(xiàn)了7.2kAh g–1的累計容量，遠(yuǎn)超現(xiàn)有報道的最佳水平。此外，聯(lián)合團隊成功組裝了全水系鎂離子軟包電池及集成式鎂離子微電池，驗證了該材料在實際應(yīng)用中的巨大潛力。
 

　　這項工作不僅開發(fā)出了一種具備超長循環(huán)壽命的高容量正極材料，更從機理層面闡明了通過調(diào)控局部配位環(huán)境實現(xiàn)離子嵌入應(yīng)變離域化的新路徑，為設(shè)計兼具高能量密度與長循環(huán)壽命的下一代水系電池提供了重要的理論與實踐支撐。
 

　　潘鋒、北京化工大學(xué)靳博文教授、邵明飛為本文的通訊作者，北京化工大學(xué)吳宇、北京大學(xué)深圳研究生院李舜寧為本文共同第一作者。本研究由國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金等資助。
 

　　引用：深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒團隊與合作者報道新型高安全長循環(huán)水系鎂離子儲能電池-北京大學(xué)【引用時間：2026年8月3日】