中国北大团队开发新型水系镁离子电池 实现7.5万次循环

维度网讯，北京大学深圳研究生院新材料学院教授潘锋团队与合作者提出一种“应变离域化”策略，开发了高安全、长循环的水系镁离子储能电池，并实现7.5万次循环。团队在三氧化钼纳米管阵列中引入钽掺杂，制备出氧化钼钽（MoTaOx）电极材料。相关研究成果近日发表于《美国化学会志》。

水系电池采用水基电解液，具有本征阻燃特性，是安全储能领域被广泛研究的技术方向。以铅酸和镍氢为代表的传统水系电池已在汽车启动与民用器件中得到应用，但储能密度极低。在新型水系储能体系中，水系镁离子电池因镁元素地壳丰度高、成本低、离子半径小，在维持晶格稳定性的前提下具备构建高体积能量密度系统的潜力，但商业化进程长期受制于严重的循环衰减和远低于理论值的实际能量密度。尽管多种正极材料已被探索，如何缓解离子嵌入导致的应变积累、实现长寿命循环仍是该领域难题。

研究团队发现，钽原子掺杂在终端氧位点附近引入氧空位。氧空位能够吸附并解离层间水分子，使钽羟基与水分子通过氢键形成复合物，降低水合镁离子扩散的动力学能垒；同时，层间水分子的有序排布与解离可缓解水合镁离子共嵌入引发的层间膨胀和内部应变。上述机制构成MoTaOx电极的储能基础。

得益于优化的离子传输通道与有效的应变离域化能力，MoTaOx电极在电流密度为每克0.15安培时展现出每克300毫安时的容量，并在7.5万次循环后保持较高电化学稳定性，累计容量达每克7.2千安时，远超现有报道的最佳水平。联合团队还组装了全水系镁离子软包电池和集成式镁离子微电池，验证了该材料在实际应用中的潜力。

该研究提供了一种具备超长循环寿命的高容量正极材料，并从机理层面阐明通过调控局部配位环境实现离子嵌入应变离域化的路径，为设计兼具高能量密度与长循环寿命的下一代水系电池提供了理论与实践支撑。