新加坡国立大学重庆研究院/重庆大学Advanced Science：打破“稳定至上”的传统认知，镁离子电池亚稳态正极设计新策略

第一作者：邓容锐

通讯作者：王玉美*，王中霆*，John Wang*

单位：新加坡国立大学重庆研究院，重庆大学

在新一代二次电池体系中，镁离子电池因其资源丰富、本征安全性高以及多电子反应潜力，被认为是锂离子电池的重要补充方案。然而，Mg²⁺强烈的电荷屏蔽效应和缓慢的固相扩散动力学，使得正极材料难以充分发挥其理论优势，成为制约体系发展的核心瓶颈。该工作通过电化学过程中原位诱导“亚稳态”结构，实现对多价镁离子存储动力学的系统性重构。该研究为长期受限于缓慢动力学与低活性的问题的镁离子电池体系，提供了一条不同于传统材料设计的全新路径。

近日，来自新加坡国立大学重庆研究院与重庆大学合作，在Advanced Science上发表题为“Metastable Structure for Ultra-Sustainable, High Capacity and Kinetics-Enhanced Magnesium-Ion Battery”的研究文章。该工作跳出了“结构越稳定越好”的传统框架，首次将“亚稳态”作为核心设计理念引入镁离子电池正极体系。研究团队以 VS₄为结构模板，通过引入少量 Ti 元素，在电化学循环过程中原位诱导形成一种亚稳态 Mg_xT-VS₄（T-VS₄）相。与常规稳定相不同，该亚稳态结构并非预先合成，而是在Mg²⁺嵌入过程中自然演化形成，并在随后的循环中得以维持。该正极表现出优异的镁离子存储性能，在50 mA g⁻¹的电流密度下具有205.4 mAh g⁻¹的放电比容量，以及长期循环稳定性（在1000 mA g⁻¹大电流下超过3000次循环）。这项研究展示了一种新的亚稳态相工程方法，作为突破金属离子电池动力学限制的设计思路，为下一代储能系统开辟了新的途径。

传统镁离子电池正极材料的设计普遍遵循热力学稳定原则，但稳定结构往往晶格刚性强、结构适应性差，难以容纳Mg2+强库仑作用下的插层与迁移过程，从而导致动力学缓慢和容量受限。本文提出了一种不同于传统思路的策略：不再追求材料在初始状态下的热力学最低能结构，而是通过结构预调控，引导材料在电化学循环过程中原位演化并稳定于一种动力学可达、功能友好的亚稳态相。这一策略首次将“亚稳态”明确引入镁离子电池正极设计中，为突破多价离子电池动力学瓶颈提供了新的结构设计范式。

以一维链状结构的VS₄为模型体系，通过少量Ti引入对晶格进行预调控。Ti的引入并非简单的元素替换，而是协同引发硫空位形成、层间距扩展以及局域配位环境的扰动，从而削弱原始VS₄中较为刚性的基态结构。这种结构调控有效改变了体系的能垒，使其在Mg²⁺插入过程中不再直接转化为热力学稳定相，而是更容易沿着动力学路径演化为亚稳态MgxT-VS₄相。与传统的“单一缺陷调控”不同，这种策略强调的是通过整体结构调节来降低亚稳态形成的动力学门槛。

电化学测试与结构表征表明，MgxT-VS₄并非短暂存在的中间体，而是在后续循环中持续作为主要工作结构。该亚稳态相在Mg²⁺迁移和反应过程中表现出更低的扩散能垒和更优的电荷转移动力学特征。GITT与阻抗分析显示，其Mg²⁺扩散系数和界面反应速率均显著优于原始VS₄体系。同时，电子结构调控使得阴离子与阳离子可协同参与氧化还原反应，从而支持更高的可逆容量输出。这些结果表明，亚稳态结构在本工作中直接决定了电极的动力学行为和储能性能。

亚稳态MgxT-VS₄电极在高电流密度下表现出持续的容量激活行为，并在长循环过程中保持结构完整性，实现了高倍率下的稳定输出和超长循环寿命。更重要的是，本文强调亚稳态并非VS₄体系的特例，而是一种可推广的设计理念。通过合理的结构预调控，引导材料在工作过程中进入并维持于合适的亚稳态区间，有望为其他多价离子电池体系提供新的正极设计思路。

“Metastable Structure for Ultra-Sustainable, High Capacity and Kinetics-Enhanced Magnesium-Ion Battery”

John Wang院士简介：John Wang，新加坡材料科学家，新加坡国家工程院院士、新加坡国家科学院院士、亚太材料科学院院士，新加坡国立大学材料科学与工程系终身教授、新加坡国立大学重庆研究院院长。在先进材料、能源与制造领域的研究和教育方面拥有30余年的丰富经验。曾连续两届担任新加坡国立大学材料科学与工程系主任。自2023年起，担任新加坡国立大学重庆研究院院长，推动材料科学领域的国际合作。研究重点涵盖新能源、先进材料与制造、能源转换，以及用于绿色能源、增材制造、电子器件、水处理与环境技术的纳米结构材料。迄今为止，已在国际顶级学术期刊发表论文500余篇，论文总引用次数超过5.4万次，H指数达121。王教授自2020年至2025年连续六年入选科睿唯安（Clarivate）“全球高被引科学家”。

王玉美博士简介：王玉美博士毕业于新加坡国立大学，目前任职新加坡国立大学重庆研究院高级研究员，全国三八红旗手，重庆市青年专家工作室领衔专家，重庆市高层次人才。长期致力于锂/钠/镁离子电池、固态电池、功能材料领域研究。以第一作者/通讯作者在Advanced Science， Advanced Energy Materials， Nano-Micro Letters等学术刊物上发表多篇研究论文，获得多项国际/国家发明专利。

王中霆博士简介：王中霆博士，重庆大学材料科学与工程学院弘深青年教师。2020年从新加坡国立大学博士毕业后，获中国博士后基金海外引进博士后项目资助，合作导师为潘复生院士。主要从事锂/钠/镁离子电池、扫描探针显微镜原位表征、多尺度模拟计算领域研究。作为第一/通讯作者已在 Advanced Energy Materials， Nano-Micro Letters，Advanced Science等期刊发表多个重要成果。

邓容锐博士简介：邓容锐博士，新加坡国立大学重庆研究院副研究员，重庆市人才计划入选者。博士毕业于重庆大学材料科学与工程专业，师从潘复生院士，后于新加坡国立大学重庆研究院、浙江大学从事博士后研究，师从John Wang院士、范修林教授。长期致力于储能材料、电化学储能、化学-材料学科交叉领域的研究，主要包括：先进镁离子电池关键材料的构筑及界面调控、镁/锂/钠离子电池电解质设计、新型储能电池溶剂化调控及界面催化化学等。已发表SCI论文30余篇，包括Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、 Compos. Part B-Eng.、Chem. Eng. J.等。