北京大学潘锋/北京化工大学段雪、邵明飞、靳博文 JACS | 应变离域化策略实现水系储镁负极材料7.5万周次超长循环寿命- 大数跨境

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北京大学潘锋/北京化工大学段雪、邵明飞、靳博文 JACS | 应变离域化策略实现水系储镁负极材料7.5万周次超长循环寿命

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2026-02-27

导读：北京大学潘锋/北京化工大学段雪、邵明飞、靳博文 JACS | 应变离域化策略实现水系储镁负极材料7.5万周次超长循环寿命

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文章信息

水系镁离子电池负极，循环寿命高达7.5万周次

第一作者：吴榆，李舜宁

通讯作者：靳博文*，邵明飞*，潘锋*

单位：北京化工大学，北京大学深圳研究院

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研究背景

发展镁离子二次电池技术不仅指向高安全、低成本的新型电化学储能路线，也与我国盐湖镁资源的高值化利用紧密相关。我国青海盐湖卤水中镁资源储量可观、来源稳定，具备显著的战略资源禀赋；但长期以来，其产业链仍面临产品附加值偏低、应用场景与消纳渠道相对有限等瓶颈。若能面向规模化储能需求构建可持续的镁离子二次电池技术体系，有望推动盐湖镁资源由传统基础化工原料向高附加值能源材料与器件领域延伸，促进资源优势向产业优势转化，并为“双碳”目标与新型电力系统建设提供支撑。

在此资源与应用牵引下，水系镁离子电池（AMIBs）因镁资源丰富、成本低且具备本征安全性而受到广泛关注。然而，强烈的Mg2+-H2O相互作用使得Mg2+在电解液中通常以体积庞大的水合离子形式迁移，并以水合离子形式嵌入电极中，导致Mg2+在宿主材料中扩散动力学迟缓，进而引发结构退化与循环稳定性差等问题。尤其是在层状宿主中，Mg2+/H2O共嵌入往往伴随剧烈的晶格膨胀与应变演化，进一步造成结构开裂、粉化以及容量迅速衰减。因此，如何在维持高容量输出的同时，实现水系储镁电极在长循环条件下的结构稳定性，仍是亟待突破的关键挑战。

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文章简介

近日，北京化工大学段雪院士/邵明飞教授/靳博文副教授课题组联合北京大学潘锋教授在Journal of the American Chemical Society上发表题为 “Aqueous Magnesium-Ion Battery Anode with 75,000 Cycles Lifespan” 的研究论文。该工作选取典型层状氧化物MoO3作为模型体系，揭示了层状电极在水系镁电解质中储镁时的结构失效机制：在Mg2+存储过程中，水合离子的共嵌入行为会诱发材料内部局部应变持续累积，最终因晶格尺寸严重失配，导致电极晶体结构发生不可逆坍塌及电化学性能衰退。基于此，该工作展示了一种应变离域化（strain delocalization）策略，通过Ta掺杂MoO3构筑了MoTaOx层状电极。研究表明，Ta原子对Mo格位的取代掺杂可在端基氧位引入氧空位（VO）；该氧空位可锚定并部分解离层间H2O分子，形成Ta–OH···OH2构型，不仅降低了水合Mg2+的层间扩散能垒，也促进了宿主晶格均匀储镁，从而避免了因局部反应不均而引起的应力集中。同时，刚性更强的Ta-O键有助于机械应变在晶格中实现离域化分布，显著提升电极对剪切应变的耐受性。最终，MoTaOx电极在水系镁电解质中实现了约75,000次的超长循环寿命，累积容量高达7.2 kAh g−1，性能显著优于已有文献报道。

图1. 普通MoO3和MoTaOx在水系电解质中储镁过程的差异。

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本文要点

要点一：明确“Mg2+/H2O共嵌入诱导局域应变累积”是层状MoO3失效的关键路径

原位XRD分析表明，纯MoO3在镁化过程中沿b轴方向发生约95%的异常晶格膨胀，并在完全镁化后衍射峰消失。进一步的结构解析指出，镁化/未镁化区域的层间距显著失配，从而导致局域应变持续累积并引发电极结构粉化。与此同时，结合ATR-FTIR、EQCM与TOF-SIMS，揭示了在储镁过程中Mg2+与H2O的共嵌入行为。因此，由Mg2+/H2O共嵌入诱导的“局域应变累积”被认为是导致电极结构退化的关键机制。

要点二：Ta掺杂协同氧空位促进“水调控镁化”，降低离子迁移势垒

MoTaOx中的氧空位能够锚定并促使层间水分子发生部分解离，形成稳定的Ta–OH···OH2构型。该构型有助于削弱水合Mg2+溶剂化壳层的束缚作用，从而显著降低其扩散能垒。理论计算结果表明，水合Mg2+在MoTaOx中的迁移能垒约0.91 eV，显著低于MoO3中的约1.95 eV。

要点三：应变离域化机制—均匀镁化与刚性Ta–O骨架协同增强剪切应变耐受性

原位XRD分析表明，MoTaOx在镁化过程中避免了多相层间距共存现象，展现出高度一致的层间结构响应。更快的离子迁移有助于均衡电极内部的浓度梯度，从而减小层间失配；同时，刚性的Ta–O键可进一步促进应变在晶格中的分散，赋予材料对剪切应变约95%的耐受性，有效抑制了电极的开裂与粉化。

要点四：电化学性能评估—卓越的长循环稳定性

电化学性能测试直观地证明了应变离域化策略的有效性。MoTaOx电极在0.15 A g−1的电流密度下可逆比容量约为300 mAh g−1；在0.75 A g−1和7.5 A g−1条件下，分别实现了15,000次和75,000次（累计测试约6个月）的稳定循环，其最大累积容量达到7.2 kAh g−1。进一步地，本研究组装了Act‑CoNi‑LDH//MoTaOx水系全电池（工作电压0–2.0 V），该电池在10,000次循环后仍保持优异的稳定性。

图2. MoTaOx电极的结构表征。 (a) MoTaOx的STEM图像，插图为对应的SAED衍射花样。 (b) 对应(a)中标记区域的线扫衬度图。 (c) Mo K边与Ta L3边的傅里叶变换EXAFS谱。 (d) MoTaOx的ABF-STEM图像。 (e) 沿 (d)中黑色虚线的线扫衬度图。 (f) MoTaOx的结构示意图。

图3. 监测MoO3与MoTaOx层间共嵌入的水合Mg2+与自由H2O。 (a) MoO3与 (b) MoTaOx在初始两圈循环中的原位XRD图谱。 (c) MoTaOx电极在初始两次镁化过程中的剪切应变变化。 (d) MoTaOx首次镁化过程的原位ATR-FTIR光谱，以及 (e) 电极质量变化。 (f) TOF-SIMS 获取的镁化MoTaOx中 Mo+、Ta+、Mg+ 与 OH−二次离子碎片的深度剖析。 (g) MoTaOx电极稳定循环阶段的原位差分ATR-FTIR光谱， (h) 电极质量变化，以及 (i) ΔM-ΔQ 曲线。

图4. MoTaOx电极的电化学行为。 (a) MoO3与 (b) MoTaOx 在750mA g−1电流密度下第1~200圈的GCD曲线。 (c) MoTaOx的倍率性能。 (d) MoO3与 MoTaOx在 750 与 7500 mA g−1下的循环性能对比。 (e) MoTaOx与代表性 MIBs 电极材料的电化学性能对比（最大容量、最大累积容量与循环寿命）。 (f) 组装的 Act-CoNi-LDH//MoTaOₓ 水系镁离子全电池的循环性能。 (g) 组装的 Act-CoNi-LDH//MoTaOx叉指结构微型镁离子全电池：照片包括 (i) Act-CoNi-LDH与MoTaOx电极， (ii) 通道局部放大的光学显微图，以及 (iii) 叉指MoTaOx电极的SEM图像。

图5. MoTaOx电极的储镁机理研究。 (a) MoTaOx循环过程中的原位XANES：Mo K 边一阶导数映射图，(b) Ta L3 边原位XANES谱。 (c) 不同状态下MoO3、Ta2O5与MoTaOx的小波变换 (WT) 分析。 (d) MoTaOx循环过程中的原位拉曼光谱。 (e) 层间嵌入的H2O分子与MoO3层板之间建立的氢键作用。 (f) H2O分子在MoTaOx中被VO位点锚定后的解离过程：氢键可促进–H物种的转移，从而形成端位Ta–OH构型。 (g) 水合Mg²⁺在MoO3中的扩散：自由能随集体变量的变化关系，其中集体变量定义为 Mg–O(1) 与 Mg–O(2) 距离之差，O(1) 与 O(2) 分别为初态与终态中与Mg2+配位的端位氧 (Ot) 原子。（h）水合Mg2+在MoTaOx中的扩散过程：集体变量定义同 (g) 。配色说明：Mo（黄），Ta（青蓝），O（红），H（白），Mg（蓝）。

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文章链接

Aqueous Magnesium-Ion Battery Anode with 75,000 Cycles Lifespan

https://doi.org/10.1021/jacs.5c21656

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通讯作者简介

潘锋教授简介：北京大学讲席教授，国家特聘专家，中国化学会会士，国家重点研发计划首席科学家，北京大学深圳研究生院副院长，深圳研究生院新材料学院创院院长。聚焦新能源与新材料产业关键问题，基于AI和自主发展的图论结构化学和材料基因组学，建立了新材料创制体系；建设了物质结构表征科学装置与方法及其解析系统；揭示了新能源材料的构效关系，在锂电池正极材料等方面取得突破性进展并实现产业转化。任《结构化学》执行主编、《Journal of Materials Informatics》副主编、《化学进展》副主编，国际电化学能源科学学会（IAOEES）委员会委员、国际电动车锂电池协会（IALB）副主席。国家级电动汽车动力电池与材料国际联合研究中心主任、广东省新能源材料设计与计算重点实验室主任。在Nature、Nat. Energy、Nat. Nanotech.等期刊发表论文420余篇，被引3万余次；国际发明专利4项，国内授权发明专利47项。

邵明飞教授简介：北京化工大学教授，博士生导师。研究方向为能源材料的制备、性能与应用研究。在Nat. Mater.、Nat. Catal.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem等期刊发表论文120余篇。先后主持国家自然科学基金优秀青年科学基金、重大项目课题、重点专项项目等。

靳博文副教授简介：北京化工大学副教授。博士毕业于哈尔滨工业大学，随后在北京化工大学邵明飞教授课题组完成博士后研究，出站后继续留校开展工作，研究方向为高功率密度电池材料的制备及性能研究。在J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed.、等期刊上发表论文20余篇，国内授权发明专利5项。