武汉理工大学徐林团队ACS Energy Letters：微畸变调控！水系铵离子电池寿命两万次的新机制

第一作者：杨中卓

通讯作者：徐林*，沈远浩*

单位：武汉理工大学，河南大学

近日，武汉理工大学与河南大学合作团队在ACS Energy Letters上发表了题为 “Octahedral Micro-Distortion for Aqueous Ammonium-Ion Batteries” 的研究论文。该研究提出一种全新的电子结构调控方案：通过引入高电荷密度的Al³⁺调节V t2g轨道占据，诱导VO₆八面体产生轻微的局域微畸变。这种微畸变不仅改变局部配位环境，还形成类似“内建应力缓冲层”式的结构单元，能够在NH₄⁺插入与脱出过程中主动吸收内部应力，从而显著抑制层状结构通常出现的晶格呼吸。与此同时，电子结构的重新分布也提升了材料本征电子传导能力，并有效降低NH₄⁺的扩散能垒，实现双重性能提升。

• 引入Al³⁺后，V 3d V t2g（尤其是3dxy）轨道占据发生变化，局域对称性下降，触发VO6八面体轻微扭曲。
• PDF、EXAFS、sXAS 等多尺度表征清晰揭示了键长重排与局域结构畸变，形成能够缓释应力的“微畸变单元”。
• 电子态密度提升、本征电导增强，同时NH₄⁺扩散能垒由 1.58 eV 降至 0.36 eV，实现电子与离子动力学的同步优势。

• CV 与 b 值分析表明反应以扩散控制为主，AlVO极化小、动力学更快。
• GITT 显示NH₄⁺扩散系数大幅提高，高倍率下仍可保持稳定容量与低电压偏移。
• 在 2 A g⁻¹ 下循环10000次仍保持 91% 容量，10 A g⁻¹稳定20000次，展现优异的结构韧性与寿命优势。

• 原位 XRD 显示 VO 在循环中晶格波动显著，而 AlVO 峰位基本不变，说明微畸变有效缓解插层应力、抑制晶格呼吸。
• Raman 与 XPS/sXAS 证明 AlVO 的振动模式和价态变化高度可逆，结构在充放电过程中保持稳定。
• TOF-SIMS 显示NH₄⁺在材料体相中可逆插层，DFT 则指出微畸变带来的局域环境有利于NH₄⁺的迁移与释放，进一步验证其稳定存储机制。

• 构建的 AlVO//N-HEPBA 全电池在多倍率下具有良好可逆性，1 A g⁻¹ 可稳定循环 2000 次。
• 软包电池在弯折、压迫及切割条件下仍可稳定点亮器件，体现出水系体系的固有安全性。
• 机制在器件层面得到充分验证，为柔性储能器件与安全水系电池应用提供了可行方案。

Octahedral Microdistortion for Aqueous Ammonium-Ion Batteries

徐林，武汉理工大学材料复合新技术全国重点实验室教授，博士生导师，入选国家级高层次青年人才项目。2013年在武汉理工大学获博士学位，随后在美国哈佛大学（2013-2016）和新加坡南洋理工大学（2016-2017）从事博士后研究。主要从事纳米储能材料与器件研究，包括固态电池、水系电池等高安全电池体系，重点围绕纳米材料界面的设计构筑、原位表征及电化学性能。研究成果发表在Nature Nanotech., Nature Commun., Adv. Mater., JACS, Angew. Chem., Adv. Energy Mater., Nano Lett., Chem, Joule等学术期刊。曾获得国家自然科学二等奖、教育部自然科学一等奖、湖北省自然科学一等奖等科研奖励。

沈远浩，武汉大学博士，本硕毕业于武汉理工大学。2025年加入河南大学物理与电子学院高性能二次电池团队，长期从事高性能二次电池以及材料表界面方面的研究工作。近年来，在Adv. Energy. Mater., ACS Energy Lett., Adv. Funct. Mater., ACS Nano等国际期刊发表论文10余篇。